герб

ГОСТы

флаг

Обзорная информация Автомобильные дороги. Методы ускорения стабилизации земляного полотна при строительстве дорог на болотах. Обзорная информация. Выпуск 5

МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

ЦЕНТРАЛЬНОЕ БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ

МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОГ НА БОЛОТАХ

Обзорная информация

Выпуск 5

Москва 1984

СОДЕРЖАНИЕ

I . ВВЕДЕНИЕ

II . О КРИТЕРИИ СТАБИЛЬНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ

III . МЕТОД ВРЕМЕННОЙ ПРИГРУЗКИ

3.1. Расчетная схема . Эффективность и минимальная величина пригрузки

3.2. Проектирование временной пригрузки

3.3. Опыт строительства дорожных насыпей с временной пригрузкой

IV. МЕТОДЫ ДРЕНИРОВАНИЯ (ОСУШЕНИЯ) СЛАБОЙ ТОЛЩИ

4.1. Метод вертикального дренирования

4.2. Ускорение консолидации грунта с помощью горизонтальных геотекстильных прослоек

4.3. Опыт применения вертикальных дрен

4.4. Эффективность использования вертикальных дрен

V . МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ КОНСОЛИДАЦИИ

5.1. Теоретические предпосылки метода

5.2. Опыт применения метода динамической консолидации

VI . ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

список литературы

В обзоре приведена краткая характеристика методов ускорения стабилизации слабых грунтовых оснований при строительстве автомобильных дорог . Показаны достоинства и недостатки этих методов , рациональная область их применения . Рассмотрен простой и эффективный метод стабилизации дорожных насыпей на слабых грунтах - метод временной пригрузки . Наряду с данными зарубежного и отечественного опыта приведены результаты последних разработок , выполненных в Белдорнии НПО Дорстройтехника и нашедших практическое применение при строительстве дорожных объектов в Белоруссии , Прибалтике и Западной Сибири .

Обзор подготовил канд . техн . наук В .Н . Яромко (Белдорнии НПО Дорстройтехника Миндорстроя БССР ).

МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

ЦЕНТРАЛЬНОЕ БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ

МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОГ НА БОЛОТАХ

Обзорная информация

Выпуск 5

Москва 1984

Выходит с 1971 г .                                                                                      6 выпусков в год

I . ВВЕДЕНИЕ

В связи с освоением новых территорий в Сибири и необходимостью реализации задач , поставленных Продовольственной программой , значительно возросли объемы дорожного строительства на болотах , переувлажненных глинистых и других грунтах , обладающих незначительной несущей способностью , высокой сжимаемостью , и относящихся к категории слабых грунтов .

Строительство автомобильных дорог на слабых грунтах сопряжено со значительными техническими трудностями , заключающимися в обеспечении стабильности земляного полотна . Традиционный метод строительства , предусматривающий замену слабых грунтов устойчивыми минеральными (обычно песчаными ), очень дорогой и трудоемкий . Поэтому на практике широко применяются методы строительства , при которых слабые грунты не удаляются , а с помощью различных конструктивных и технологических мероприятий улучшаются и используются в качестве несущего основания насыпи . Среди них наибольшее распространение получили такие методы , как дренирование (осушение ) слабых грунтов и временная пригрузка . Эти методы позволяют ускорить процесс уплотнения водонасыщенных грунтов с помощью отжатия и удаления из них поровой воды по специальным дренажным каналам или естественным порам грунта при приложении к ним статической нагрузки от собственной массы насыпи и дополнительного слоя грунта . Менее известен в отечественной дорожной практике метод интенсивного уплотнения слабых грунтов динамической нагрузкой (метод динамической консолидации ).

II . О КРИТЕРИИ СТАБИЛЬНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ

В качестве критерия стабильности насыпи на слабом основании принимают степень консолидации основания U , которая должна завершиться до устройства покрытия

                                                                            (1)

где S ( t ) - осадка основания в момент времени t ; S (∞) - конечная (стабилизированная ) осадка .

В зависимости от проектируемого типа покрытия степень консолидации назначают равной 80-90 % от величины конечной осадки основания [ I ]. Недостатком указанного критерия является то , что он не учитывает интенсивность осадки на заключительной стадии уплотнения . Интенсивность осадки основания можно охарактеризовать скоростью осадки υ ( t )

                                                                           (2)

где ΔS - приращение осадки основания, соответствующее приращению времени Δt или так называемым логарифмическим градиентом скорости осадки ms

                                                                    (3)

где ti - время , соответствующее началу i -ой стадии консолидации ;

Δ S i - приращение осадки на участке времени ti - t ;

t - текущее время в пределах i -ой стадии консолидации .

По физической сущности параметр ms характеризует осадку , которая происходит за один логарифмический цикл , т .е . при t / ti = 10.

Исследованиями установлено , что при ms > 30 см уплотнение органо -минеральных грунтов происходит в стадии первичной (фильтрационной ) консолидации , при 10≤ ms ≤ 30 см в стадии вторичной консолидации , при ms < 10 см - в стадии ползучести [ 2].

Из приведенных формул (1, 2, 3) видно , что все показатели , определяющие степень стабилизации земляного полотна , связаны между собой . На рис . 1 приведен график , объединяющий показатели ms , U и Spac . Из графика видно , что для достижения стабилизации земляного полотна в стадии ползучести ( ms ≤10 см ) нужна различная степень консолидации основания в зависимости от его осадки . Так , например , при расчетных осадках Spacr менее 70 см достаточно U = 0,90, а при Spacr   = 70-120 см необходима степень консолидации U = 0,95.

Рис 1. Влияние расчетной осадки и требуемой степени консолидации на стабильность земляного полотна на торфяном основании

Опыт строительства и эксплуатации автомобильных дорог на болотах показывает , что для обеспечения нормальной работы дорожной одежды с покрытиями капитального типа степень уплотнения слабого основания перед устройством покрытия должна быть такой , чтобы осадки протекали в стадии ползучести , для покрытий облегченного типа - в стадии вторичной консолидации , для переходных и низших типов покрытий - в стадии первичной консолидации при ms ≤ 50 см . Исходя из этого , установлены дифференцированные требования к степени консолидации основания в зависимости от величины осадки основания и проектируемого типа покрытия ( табл. 1 ).

Таблица 1

Расчетная осадка основания, Spacr

см

Требуемая степень консолидации U для покрытий

усовершенствованные капитальные

усовершенствованные облегченные

переходные

низшие

<30

0,90

0,85

0,80

0,75

30-100

0,95

0,90

0,85

0,80

100-170

0,96

0,92

0,87

0,82

>170

0,98

0,95

0,90

0,85

III . МЕТОД ВРЕМЕННОЙ ПРИГРУЗКИ

3.1. Расчетная схема . Эффективность и минимальная величина пригрузки

Наиболее простым и доступным для производства методом ускорения сроков стабилизации земляного полотна на болотах является метод временной пригрузки . Несмотря на значительное количество опубликованных работ , вопрос о назначении толщины временной пригрузки и сроков ее выдерживания остается эмпирическим . Суть этого метода ( рис. 2 ) состоит в приложении нагрузки Pпр , большей на Δ P , чем Ppacr , в результате чего расчетные осадки Spacr с заданной степенью консолидации U завершаются за время tпр значительно меньшее , чем время tu при обычной консолидации (без ускорения осадки). Об эффективности временной пригрузки можно судить по времени ускорения осадок t уск

tуск= tu- tпр,                                                                                                         (4)

Рис . 2. Расчетная схема к применению метода временной пригрузки

прилагаться постепенно (отдельными ступенями по специальному режиму ). Однако принятое допущение не окажем существенного влияния на конечный результат , поскольку определяются не абсолютные значения t , а их разность . С учетом этого

                                                               (5)

где Тпр - консолидационный параметр , соответствующий относительной осадке λпр (для пригрузки );

Т pac - консолидационный параметр , соответствующий расчетной осадке λ pacr (для расчетной нагрузки );

С - коэффициент переуплотнения

U - степень консолидации .

Параметры Т pacr и Тпр (в сутках ) определяют по следующим формулам :

                                                             (6)

где λсж.pacr , λсж.пр - относительные деформации сжатия слабого основания от нагрузки Рpacr и Pпр (в МПа), вызывающе соответственно осадки Sсж.pacr и Sсж.пр (в см)

С учетом этого получим

                                           (7)

Из выражения (6) определим отношение

                                                           (8)

Где d p / Ppacr - коэффициент перегрузки основания ;

Δ p - величина временной пригрузки .

Тогда

                                       (9)

Анализ формулы для определения tуск показывает , что эффективность временной пригрузки зависит от сжимаемости торфяного основания (λсж . pacr и C =Δλсж . pacr ), величины нагрузки ( Ppacr и d = Δ p / Ppacr ) и требуемой степени консолидации U . При этом увеличение Sсж . pacr и U всегда ведет к увеличению tуск , т .е . чем больше осадка и выше требования в отношении стабильности земляного полотна , тем эффективнее применение временной пригрузки . Увеличение коэффициентов с и d ведет к росту tуск , а следовательно , и к повышению эффективности пригрузки . Но коэффициенты С и d зависят от Sсж . pacr , Ppacr , что указывает на сложный характер влияния величины расчетной осадки и расчетной нагрузки на эффективность временной пригрузки .

Из приведенных соотношений следует , что должно существовать минимальное значение коэффициента перегрузки , при котором временная пригрузка будет неэффективна в отношении ускорения осадок . Минимальные значения коэффициента перегрузки можно найти из уравнения (9) при ускорении tуск = 0

                                                      (10)

Используя для определения параметра С компрессионную зависимость Л .С . Амаряна [4] получим (для торфяных грунтов)

                                 (11)

где l0 - коэффициент начальной пористости торфа;

Ppacr - расчетная нагрузка, МПа.

Для зависимости (11) построен график ( рис. 3 ), который позволяет определить минимальное значение коэффициента перегрузки в зависимости от требуемой степени консолидации основания и комплексного показателя (1 + l 0 ) Ppacr

В частности , при изменении коэффициента пористости торфа l 0 в пределах 8-14 (интервал изменения l 0 для болот 1 строительного типа ) минимальные значения коэффициента перегрузки dmin можно определить по табл. 2 в зависимости от требуемой степени консолидации U и расчетной нагрузки Ppacr .

Таким образом , приведенные данные показывают , что основными факторами , определяющими выбор величин временной пригрузки , являются сжимаемость слабого грунта , величина уплотняющей нагрузки и требуемая степень консолидации основания . Исходя из этого , при строительстве дорог на болотах с усовершенствованными покрытиями ( U = 0,90-0,95; E о = 8-14; Ppacr = 0,03-0,06 МПа ) коэффициент перегрузки принимается не менее 0,15-0,20.

Рис . 3. График для определения минимального коэффициента перегрузки

Таблица 2

Расчетная нагрузка, P pacr , МПа

Требуемая степень консолидации, U

0,80

0,90

0,95

Минимальные значения коэффициента перегрузки, d min

<0,03

0,20

0,15

0,10

0,03-0,10

0,30

0,20

0,15

0,10-0,15

0,40

0,25

0,20

3.2. Проектирование временной пригрузки

При строительстве автомобильных дорог обычно применяют следующие конструктивно -технологические решения временной пригрузки ( рис. 4 ). При использовании схемы (а ) грунт временной пригрузки после завершения консолидации основания используют для отсыпки насыпи на следующих участках дороги ; при использовании схемы (б ) грунт распределяют на обочины и откосы в пределах данной захватки .

Расчет параметров временной пригрузки рекомендуется выполнять в следующей последовательности :

а ) определять величину временной пригрузки Δр по формуле

Δ p = dPpacr,                                                                                                     (12)

где d - коэффициент перегрузки , минимальные значения которого следует принимать по графику (см . рис. 3 ).

б ) определять консолидационный параметр Тпр для насыпи с пригрузкой по формуле (6). При этом параметры λ , Р и Sсж для насыпи с пригрузкой вычислять по формулам :

λсж.пр = λсж. pacr(1+ bd),

Sсж.пр = Sсж. pacr(1+ bd),                                                            (13)

Pпр = Р pacr (1+d),

где b - безразмерный коэффициент, определяемый по формуле:

                                                           (14)

где Ppacr - расчетная нагрузка на основание , МПа ;

l 0 - средневзвешенное значение коэффициента пористости основания .

Рис . 4. Конструктивные решения земляного полотна с временной пригрузкой :

а - в виде дополнительного слоя насыпи ; б - в виде суженной насыпи (насыпь -пригрузка ); В - ширина проектируемой насыпи по верху ; H - глубина болота ; Spacr - расчетная осадка основания ; h - высота проектируемой насыпи ; Δ h - толщина слоя временной пригрузки ; hн - толщина насыпи ; h пр - толщина насыпи с временной пригрузкой ; m , m 1 - соответственно показатель крутизны заложения откоса проектируемой и суженной насыпи

в ) проверять устойчивость слабого основания при возведении насыпи с временной пригрузкой . Коэффициент безопасности основания K нач без.пр вычисляют по формуле:

                                                                       (15)

где P нач без.пр - безопасная нагрузка на основание , методика определения которой приведена в работе [ I ].

Если K нач без.пр  ≥ 1 , допускается быстрая отсыпка насыпи и временной пригрузки и расчет длительности консолидации производят по формуле

                                                                             (16)

При K нач без.пр < 1 определяют коэффициент безопасности основания с учетом его упрочнения при медленной отсыпке насыпи.

                                                       (17)

где U 0 - степень консолидации основания , достигаемая за время отсыпки насыпи и пригрузки и определяемая в зависимости от величины λсж .пр

λсж.пр

<0,05 ........................... ......0,25

0,05-0,15 ................... ........0,33

0,15-0,30 ............................ .0,5

0,30-0,40............................. 0,6

>0,40 .......................... .......0,65

Если K конч без.пр ≥ 1 допускается медленная отсыпка насыпи и пригрузки . Расчет длительности консолидации производят по специальным методикам [ 1, 5].

Коэффициент перегрузки d для пригрузки , выполняемой по схеме (б ) (см . рис. 4 ), определяют методом последовательного приближения в зависимости от требуемых сроков консолидации основания по следующей формуле

                                                                    (18)

где h - высота проектируемой насыпи ;

B - ширина проектируемой насыпи по верху ;

m - показатель крутизны заложения откоса проектируемой насыпи ;

m 1 - показатель крутизны заложения откоса суженной насыпи (насыпи -пригрузки ).

При проектировании временной пригрузки варьирование значений крутизны откосов осуществляется в пределах m = 1,5-4,0; m 1 = 1-2.

Коэффициенты перегрузки d , вычисленные по формуле (18), должны быть не менее значений d mim определяемых по рис . 3 . В противном случае временная пригрузка по схеме ( б ) неэффективна и для получения требуемого коэффициента перегрузки необходимо применять временную пригрузку по схеме (а ) (см . рис. 4 ).

Проектирование временной пригрузки иллюстрируется следующим примером . Пусть требуется запроектировать земляное полотно автомобильной дороги IV категории на переходе через болото глубиной 2,5 м . Продолжительность строительства tcmp = 70 сут . В результате проведенных расчетов минимальной толщины насыпи , величины и продолжительности ее оселки , устойчивости слабого основания получены следующие данные : h = 1,6 м , S сж = Spacr = 0,43 и ; l 0 = 8; λ сж = 0,17; Ppacr = 0,036 МПа , Pбез . = 0,062 МПа , K нач без.пр = 1,72; U = 0,90.

Время , необходимое для достижения заданной степени консолидации основания , определяется по формуле (5)

где

Поскольку продолжительность консолидации t =258 сут превышает продолжительность строительства tс mp = 70 сут , для ускорения консолидации основания применяется временная пригрузка . Минимальное значение коэффициента перегрузки определяется по рис . 3 . Для (1 + l 0 ) Ppacr = (1+8) 0,036 МПа , и U = 0,90 dmin = 0,18. Исходя из того , что время консолидации необходимо сократить в 228/70 = 3 раза , коэффициент перегрузки ориентировочно принимается равным d = 2 dmin = 0,36.

Устойчивость основания при отсыпке на сыпи с временной пригрузкой определяется следующим образом

Рпр = Р pacr (1 + d) = 0,036 (1 + 0,36) = 0,049 МПа

Коэффициент безопасности больше единицы , следовательно , устойчивость основания обеспечена при отсыпке насыпи и пригрузки в режиме быстрого нагружения .

Консолидационный параметр Тпр для насыпи с временной пригрузкой определяется из выражения

где ;

Sсж.пр = Sсж.pacr(1+bd)=43(1+0,67·0,36)=53 см;

λсж.пр = λсж.pacr(1+bd)=0,17(1+0,67·0,36)=0,21

Длительность консолидации насыпи с пригрузкой определяется по формуле (16)

Полученное время консолидации tпр = 47< tcmp = 70 сут , следовательно , коэффициент перегрузки можно уменьшить .

Принимая d =0,3

Sсж.пр=4(1+0,67·0,3)=52 см;

λсж.пр=0,17(1+0,67·0,3)=0,20;

Рпр=0,036(1+0,3)=0,047 МПа;

Продолжительность консолидации насыпи с пригрузкой равна

Применение временной пригрузки ( d = 0,3) позволяет уменьшить срок консолидации основания на 258 - 63 = 195 сут . Толщина пригрузочного слоя равна

Δ h = dhн = 0,3 (1,6 + 0,43) = 0,61 м.

Возможность осуществления временной пригрузки по схеме ( б ) насыпь -пригрузка (см . рис. 4 ) определяется следующим образом . Для проектируемой насыпи h = 1,6 м , В = 10 м , m = 2 и λ = 0,3. Принимая крутизну откоса насыпи -пригрузки m 1 = 1, коэффициент перегрузки равен

Таким образом , в данном случае возможно осуществление пригрузки по схеме (б), т .е . посредством возведения сначала суженной насыпи с более крутыми откосами m 1 = 1 и высотой , превышающей проектную на величину пригрузки , с последующим уположиванием откосов после завершения консолидации .

3.3. Опыт строительства дорожных насыпей с временной пригрузкой

При строительстве двух крупных транспортных узлов новой автомобильной магистрали в центре г . Вильнюса [ 6] наибольшие трудности вызвало обеспечение стабильности насыпи , расположенной на мощных отложениях болотных грунтов , образовавшихся в надпойменной террасе р . Вилия .

По данным инженерно -геологических изысканий , проведенных Литовским государственным институтом инженерных изысканий , мощность слабых (торфяных и илистых ) грунтов на узле № 1 составляла 2-10 м , на узле № 2-2-16 м . Сверху слабые грунты перекрыты насыпными грунтами (в основном песчаными и супесчаными ) толщиной слоя от 2 до 8 м , которые были завезены в отвал .

Узел № 1 запроектирован в виде кольцевого пересечения в двух уровнях , узел № 2-в виде пересечения в одном уровне с направляющими островками . При их сооружении предусматривалось устройство выемки глубиной около 10 м , двух путепроводов , ливневого коллектора под проезжей частью в выемке , укрепление крутых откосов и т .д ., что в сложных грунтово -геологических условиях потребовало , прежде всего , обеспечения устойчивости и стабильности грунтового основания . Решение этой задачи осложнилось специфическими особенностями слабых органических грунтов и высоким уровнем грунтовых и подземных напорных вод .

На стадии разработки технического проекта Управлением коммунального хозяйства г . Вильнюса и Институтом проектирования городского строительства Госстроя Литовской СССР было рассмотрено несколько вариантов конструкций земляного полотна с радикальными техническими решениями , предусматривающими отказ от использования слабых грунтов в качестве естественного основания . Эти варианты сводились к двум решениям : устройству эстакады на сваях под все капитальные сооружения ; удалению слабых грунтов и замене их привозными песчаными грунтами .

Однако при устройстве выемки при возведении эстакады на сваях неизбежно возникли бы технологические трудности при экскавации болотного грунта с большой глубины ниже уровня грунтовых вод , тем более , что применение взрывных или гидротехнических методов удаления грунта в условиях городской застройки недопустимо . Достаточно отметить , что глубина котлована для достижения нужной отметки составила бы на узле № 1 около 15 м , а на узле № 2 до 20 м .

На основании опыта , накопленного дорожными организациями [ 7], в Белдорнии был разработан проект сооружения насыпей автомобильных дорог с использованием в качестве основания слабых водонасыщенных грунтов .

С целью изучения прочностных и деформативных свойств слабых грунтов Белдорнии при участии Литовского государственного института инженерных изысканий были проведены дополнительные инженерно -геологические изыскания . В результате проведенных исследований было установлено , что стратиграфическое строение слабой толщи под обоими узлами в основном представлено двумя слоями однотипного генезиса : осоковым торфом со степенью разложения 30-40 % и сапропелями (органо -минеральными илами ). Сапропели в верхней части обогащены органикой , в средней части в основном преобладают известковые , которые в придонных слоях переходят в кремнеземистые и минеральные или . Физико -механические свойства слабых грунтов представлены в табл. 3 .

Под действием массы грунта , отсыпанного ранее на болотах , слои торфа и сапропелей несколько уплотнились и получили определенную структурную прочность .

Расчет по несущей способности показал , что прочность грунтов естественного основания достаточна для обеспечения устойчивости насыпей проектного очертания , но в зоне выемки потребовалось проведение мероприятий для предотвращения выдавливания слабого слоя в нижней откосной части . Непосредственно под проезжей частью в выемке слабый грунт заменен песчаным , в качестве ограждения рекомендовано устройство шпунтовой стенки (в процессе выполнения работ выявилась возможность произвести замену грунта без шпунта ).

Таблица 3

Показатели

Узел №1

Узел №2

насыпной грунт

торф

сапропель

насыпной

грунт

торф

сапропель

Мощность слоя, Н , м

4-7

2-5

2-6

3-7

2-5

2-12

Абсолютная влажность, W %

-

280-320

100-190

-

250-450

400-750

110-250

100-500

Сопротивляемость сдвигу по крыльчатке, τ, МПа

-

0,02-0,06

0,018-0,042

-

0,017-0,060

0,006-0,015

0,010-0,040

0,004-0,012

Относительная осадка λ при нагрузке, равной 0,025 МПа

0,06-0,10

0,04-0,06

-

0,10-0,12

0,15-0,20

0,10-0,15

0,25-0,28

Относительная осадка при нагрузке, равной 0,12 МПа

-

0,10-0,15

0,07-0,09

-

0,20-0,24

0,20-0,25

0,17-0,24

0,30-0,40

Примечание. В числителе приведены показатели для слабых грунтов основали, имеющих вышележащий насыпной слой, в знаменателе при отсутствии насыпного слоя.

Наибольшие трудности вызвало обеспечение стабильности насыпи . Осадка насыпи в месте наибольшей толщины слабого слоя , по данным лабораторных испытаний грунтов , достигала 1,5 м , причем продолжительность консолидации торфа и ила могла составлять около 10 лет .

Известный метод ускорения консолидации вертикальными дренами не мог дать значительного эффекта вследствие малой водопроницаемости болотной толщи . Наиболее целесообразным в данных условиях оказался метод временной пригрузки , достаточно обоснованный теоретически и проверенный на практике [ 8]. Принцип действия пригрузки основан на ускорении осадки основания за счет приложения нагрузки , превышающей проектную . После достижения величины осадки , соответствующей проектной нагрузке , дополнительный слой грунта убирают и , поскольку плотность основания соответствует оставшейся нагрузке , процесс консолидации прекращается .

Толщину пригрузочного слоя определяли исходя из условия , что срок строительства объекта был принят равным двум годам . При расчетах использовали методику Белдорнии , изложенную выше .

В зависимости от величины расчетной нагрузки , толщины и сжимаемости слабого слоя расчетная величина осадки составляла от 15 до 150 см . Расчетом установлено , что минимальная длительность действия пригрузки должна составлять от 53 до 229 сут . Толщина слоя пригрузки при этой достигала 1,5-3 м , а отношение величины пригрузки к расчетной нагрузке (коэффициент перегрузки ) находилось в пределах 0,4-1.

В период строительства заказчиком осуществлялся постоянный контроль за выполнением проекта производства работ и соблюдением установленных сроков консолидации . В наиболее характерных местах было заложено 55 контрольных точек , в которых с помощью приборов конструкции Белдорнии измеряли толщину насыпи , общие осадки , сдвиги (плановые смещения ) и избыточное поровое давление по глубине слабого основания .

Ход отсыпки насыпи и пригрузки , развитие осадок и порового давления во времени для характерных условий узла № 1 приведены на рис. 5 . Из графика видно , что основная часть осадки основания протекала в стадии фильтрационной консолидации . Максимальное избыточное поровое давление достигаю 0,17 кг /см 2 через 5-10 сут после приложения полной нагрузки и затеи по мере выжимания воды постепенно снижалось . После достижения расчетной осадки основания , равной 50 см , слой пригрузки толщиной 2 м был снят в перемещен на узел № 2. После снятия пригрузки произошло восстановление упругой части осадки на 3-10 см . Дальнейшие наблюдения , которые проводятся уже пять с половиной лет после ввода объекта в эксплуатацию , показали , что основание насыпи полностью стабилизировалось и никаких деформаций , вызванных наличием слабых грунтов , не происходит .

Применение комплексного геотехнического решения , позволившего использовать в основании капитального сооружения слабые

Рис. 5. Консолидация слабого основания при применении временной пригрузки:

а - изменение нагрузки во времени; б - изменение осадки во времени; в - изменение порового давления во времени;

-песок; -насыпной грунт; -торф; -сапропель

грунты, дало значительный экономический эффект. В табл. 4 приведены данные технико-экономического сравнения вариантов технологических решений, осуществленных при строительстве узлов №№ 1 и 2.

Таблица 4

Варианты технологических решений

Объем земляных работ, тыс. м3

Стоимость устройства основания, тыс.р.

узел № 1

узел № 2

узел № 1

узел № 2

Удаление из основания земляного полотна насыпных и слабых грунтов с заменой их привозный песчаный грунтом

436

355

567

654

Устройство железобетонной эстакады

-

50

-

2500

Использование в основания слабых грунтов с временной пригрузкой

182

180

290

200

В целом снижение сметной стоимости строительства от применения рациональных методов использования естественных оснований составило более 700 тыс . р . за счет уменьшения объема земляных работ на 430 тыс . м 3 .

Перспективно применение временной пригрузки и при строительстве нефтепромысловых дорог на болотистых участках в Западной Сибири . Широко распространенный при строительстве нефтепромысловых дорог двухстадийный метод строительства имеет ряд недостатков , трудоемок и не гарантирует полной стабилизации земляного полотна , особенно , если работы на второй стадии требуют досыпки земляного полотка .

В работе [ 9] дано теоретическое обоснование одностадийного способа строительства нефтепромысловых дорог на болотах . Суть способа состоит в ускорении осадки торфяных грунтов с помощью временной пригрузки , что позволяет стабилизировать земляное полотно в короткие сроки и устраивать дорожную одежду в одну стадию .

С целью отработки технологии одностадийного способа строительства и проверки эффективности применения временной пригрузки для ускорения консолидации ДСУ - II треста Белнефтедорстрой было осуществлено опытно -экспериментальное строительство земляного полотна на одной из автомобильных дорог , проходящей по болоту I строительного типа с глубиной 2,8-4 м . Торфяная залежь представлена до глубины 0,6-1 м очень влажными грунтами с прочностью , характеризуемой условным сопротивлением сдвигу по крыльчатке ( l = 0,005-0,01 МПа ). Прочность торфа в нижележащих слоях составляет не менее 0,015 МПа , естественная влажность не превышает 650 %,

К моменту начала опытных работ был отсыпан пионерный слой насыпи толщиной 1 м , замеренная нивелированием осадка основания составила 20-40 см .

Опытный участок состоит из трех секций . На секциях №№ 1 и 2 земляное полотно возводили с применением временной пригрузки по различной технологии , на секции № 3 (контрольной ) без временной пригрузки . На каждой секции заложено по одному расчетному поперечнику .

На каждом поперечнике через 20 см по глубине проводилось зондирование торфяной залежи крыльчаткой ; для определения естественной влажности , удельного веса , пористости и других показателей через 1 м были взяты пробы торфа .

Для наблюдения за ходом осадки на поперечниках было установлено по три дистанционных осадкомера конструкции Белдорнии (один по оси , а два - на расстоянии 5 м от оси под бровками земляного полотна ). При этом нивелированием были определены высота , толщина , осадка основания , а также положение осадкомеров в момент установки .

После проведения подготовительных мероприятий были начаты работы по возведению земляного полотна с пригрузкой . Возводить земляное полотно на болотах в условиях Западной Сибири необходимо с учетом того , что невозможно направить механизмы и транспортные средства в объезд строящегося объекта . Работы производятся способом "от себя " или же в условиях транзитного движения . Поэтому отсыпка насыпи и пригрузки на опытном участке велась послойно и попеременно на левой или правой половине насыпи ; для пропуска встречного потока автомобилей -самосвалов был отсыпан слой грунта , толщина , которого не превышала 40-50 см .

На секции № 1 временную пригрузку устраивали методом непрерывного перемещения дополнительного слоя грунта (движущаяся пригрузка ). Hacыпь была доведена до проектной высоты , затем был отсыпан дополнительный слой толщиной 55-75 см ; длина захватки 60 м . При этом расчетный поперечник с осадкомерами находился посредине захватки . Пригрузка действовала в течение 2 сут , затем грунт пригрузки был перемещен бульдозером на соседнюю захватку , толщина насыпи на которой была ниже проектной , далее на эту захватку автомобилями - само cвалами был доставлен недостающий грунт для отсыпки насыпи проектной толщины . При такой технологии общий объем грунта не увеличивается . Возрастает только объем грунта , перемещаемого бульдозером , поскольку грунт , используемый для временной пригрузки приходится перемещать дважды : первый раз в пригрузку , второй - в насыпь .

На секции № 2 временная пригрузка устраивалась по типу суженной насыпи (насыпи -пригрузки ). Насыпь была возведена на высоту , превышающую проектную на 50-80 см с естественным углом заложения откосов . Длина захватки составила 60 м . Пригрузка действовала в течение 3 сут . Затем грунт пригрузки был снят и перемещен на откосы насыпи .

На секции № 3 насыпь возводилась по обычной технологии без применения временной пригрузки .

Исходные данные для оценки эффективности применения временной пригрузки приведены в табл. 5 . Для повышения точности и достоверности расчетов данные по трем осадкомерам для каждого поперечника осреднены , т .е . получены средние арифметические значения каждого параметра .

Таблица 5

Показатели

Опытные секции

№ 1

№ 2

№ 3

Глубина болота, м

4,0

2,8

2,85

Проектная высота насыпи, м

1,75

1,47

1,86

Расчетная осадка основания, м

0,83

0,71

0,89

Коэффициент перегрузки

0,10

0,19

-

Степень консолидации основания до начала опытного строительства ( U 1 ) , %

30

39

40

Степень консолидации основания сразу по окончании опытного строительства ( U 2 ), %

63

67

51

Степень консолидации основания через 400 сут по окончании опытного строитель ства ( U 3 ), %

93

94

86

Логарифмический градиент осадки, см

13,8

10,3

20,4

Из приведенных данных видно , что наибольшая степень консолидации в период , предшествующий строительству ( U 1 = 39-40 %), произошла на поперечниках №№ 2 и 3, в период строительства - на поперечниках с временной пригрузкой ( U 2 = 63-87 %), минимальная на участке , где временная пригрузка не применялась ( U 2 = 51 %). При этом большая степень консолидации зафиксирована на поперечнике № 2, где коэффициент перегрузки был больше . Следовательно , временная пригрузка влияет на ускорение осадок основания .

После окончания строительства опытного участка проводились регулярные наблюдения в течение 420 сут за состоянием опытного участка с измерением осадок дистанционным осадкомером . Осадки измеряли 1 раз в квартал . Состояние участка на секциях временной пригрузки хорошее . На секции без пригрузки производится досыпка насыпи на 20-25 см .

После снятия пригрузки осадки продолжались , но интенсивность их значительно снизилась . При этом скорость осадки , характеризуемая градиентом осадки ms [ 2], который для секций с пригрузкой ( ms = 10,3-13,8 см ) почти в 2 раза меньше , чем для секций без пригрузки ( ms = 20,4 см ). Величины осадок , которые произошли после окончания строительного периода на секции с пригрузкой , составили 12-24 см , на секции без пригрузки - 27-36 см . Как было показано ранее [ 9], при ms <10 см осадки основания протекают в стадии ползучести , при ms = 10-30 см в стадии вторичной консолидации . Поэтому применение временной пригрузки в течение строительного периода позволило стабилизировать земляное полотно . Насыпь без пригрузки еще не стабилизировалась ( ms = 20,4 см ) и устраивать капитальное покрытие на такой насыпи можно только при уменьшении логарифмического градиента осадки ms до 10-12 см .

Основываясь на приведенных экспериментальных данных , можно определить требуемую величину пригрузки для достижения заданной степени консолидации основания в течение строительного периода . Расчеты показывают , что при осадках менее 100 см для достижения 90 %-ной степени консолидации при длительности выдерживания пригрузки 2-5 сут необходимо , чтобы коэффициенты перегрузки были в пределах 0,3-0,4. Это соответствует толщине пригрузки 0,75-1,7 м для насыпей толщиной 2,5-4 м .

При отработке технологии возведения земляного полотна на болотах с временной пригрузкой в условиях Западной Сибири выявлен ряд особенностей , которые необходимо учитывать при строительстве

Рис . 6. График изменения осадки и толщины насыпи во времени ( d = 1,43):

-пригрузка ; -насыпь ; -торф ; -гравий ; - гравелистый песок

Таким образом , проведенные экспериментальные работы подтвердили основные положения теоретических предпосылок и показали , что применение временной пригрузки позволяет значительно сократить сроки стабилизации земляного полотна , повысить качество работ и устраивать дорожную одежду одностадийным способом .

В работе [ 11] описан опыт применения временной пригрузки при строительстве автомобильной магистрали № 9 в ФРГ. Решение применить метод временной пригрузки было принято после успешного строительства опытного участка насыпи высотой 8 м, наблюдения за которым продолжались в течение трех лет.

В основании насыпи автомобильной магистрали № 9 были установлены дистанционные измерители осадки , выполненные по схеме сообщающихся сосудов . На рис. 6 приведен график изменения осадки и толщины насыпи во времени . Проектная толщина насыпи составляет 2,1 м , а толщина пригрузочного слоя - 3 м , коэффициент перегрузки равен 1,43. Продолжительность действия пригрузки составила более 300 сут , т .е . потаи год . Насыпь , с которой она в настоящее время снята , оказалась стабильной и больше не оседает , в то время как осадка ее составила 67 см .

Рис . 7. График изменения осадки и толщины насыпи во времени ( d =0,28):

-пригрузка ; - насыпь ; - гравелистый песок; - органо -минеральный ил

На следующем участке ( рис. 7 ) проектная толщина насыпи в среднем составила 6,5 м , толщина пригрузочного слоя - 1,8 м , т .е . коэффициент перегрузки равен 0,28. Поскольку пригрузка на этом участке действовала лишь в течение 6-8 месяцев , упрочение слабого основания не было закончено . Из рис. 7 также видно , что осадка не стабилизировалась . Это зависит не только от времени действия пригрузки . На первом участке больше время задерживания временной пригрузки , а также значительно (в 4-5 раз ) больше коэффициент перегрузки . На другом участке коэффициент перегрузки составлял лишь 0,28 и , как было показано выше , находился в пределах , минимально допустимых по условиям ускорения осадок , и существенного влияния на ускорение осадки не оказал .

IV. МЕТОДЫ ДРЕНИРОВАНИЯ (ОСУШЕНИЯ) СЛАБОЙ ТОЛЩИ

4.1. Метод вертикального дренирования

Одним из распространенных методов , позволяющих ускорить уплотнение слабого грунта от воздействия массы насыпи и сократить сроки строительства дорог , является вертикальное дренирование . В слабом водонасыщенном грунте устраивают близко расположенные вертикальные дрены , через которые под действием нагрузки от возводимой насыпи отводится поровая вода , что способствует ускорению уплотнения и упрочнения слабого основания .

Обычно вертикальные дрены имеют вид скважин , заполненных песчаным грунтом с высокой водопроницаемостью . По конструктивному решению и технологии строительства они сходны с песчаными сваями , однако в отличие от дрен сваи представляют собой не дренирующую , а несущую конструкцию .

Вертикальные дрены сокращают путь фильтрации воды , поэтому , регулируя расстояние между дренами , можно теоретически добиться любой скорости уплотнения слабого основания . По мере уплотнения снижается влажность слабого грунта и повышается его прочность , поэтому вертикальные дрены устраивают не только для ускорения осадки насыпи , но и в тех случаях , когда необходимо снять избыточное поровое давление в напряженном грунтовом основании .

При расчете вертикальных дрен применяют модель фильтрационной консолидации с учетом дополнительных факторов (структурной прочности , переменности коэффициента консолидации и т .д .). Методика расчета дрен изложена в работе [ 12] получения представления об эффективности дрен можно использовать известный вывод из теории фильтрационной консолидации Терцаги , в соответствии с которой время уплотнения пропорционально квадрату пути фильтрации отжимаемой поровой воды .

Если толщина уплотняемого слоя Н , а расстояние между дренами - α , то отношение продолжительности периода консолидации слабого грунта без дрен t 1 [ 7] соответствующему периоду при действии дрен t 2 равно

Расстояние между дренами рассчитывают методом подбора [ 12], исходя из заданного срока достижения требуемой степени консолидации основания U назначаемой в зависимости от типа покрытия и величины осадки по табл. 1 . Обычно шаг дрен принимают равным 2-4 м , В плане дрены можно располагать в шахматном порядке , в вершинах сетки квадратов или равносторонних треугольников .

Вертикальные дрена целесообразно устраивать в грунтах с коэффициентом фильтрации от 1 до 1· 10-4 м /сут при мощности слоя слабого грунта более 4 м [ 12]. При водопроницаемости грунта свыше 1 м /сут фильтрационное уплотнение обычно происходит достаточно быстро без дополнительных мероприятий , В грунтах с водопроницаемостью менее 1· 10-4 м /сут расчетный шаг дрен оказывается , как правило , настолько малым , что их устройство становится нецелесообразным .

Эффективность вертикального дренирования возрастает с увеличением мощности сжимаемого слоя при наличии в толще дренирующих прослоек , а также если горизонтальная проницаемость грунта выше вертикальной . Градиент фильтрации , создаваемый напором , возникающим в поровой воде под воздействием нагрузки от массы насыпи , должен быть выше начального градиента фильтрации по всей дренирующей толще . Для этого , а также для ускорения осадки основания с дренами вертикальное дренирование целесообразно применять в комплексе с временной пригрузкой насыпи дополнительным слоем грунта .

Технологическая схема устройства вертикальных дрен приведена на рис. 8 . Сначала отсыпается слой песчаного грунта (см . рис. 8а, б ), который служит основанием для устройства скважин под вертикальные песчаные дрены и для отвода поступающей в слой воды (глубину заложения дрен устанавливают в зависимости от свойств грунта ).

Рис . 8. Схема устройства вертикальных песчаных дрен :

а - существующая местность ; б - отсыпка слоя песчаного грунта ; в - устройство вертикальных скважин ; г -укладка дренирующего песчаного слоя толщиной 0,25-0,5 м ; д - отсыпка земляного полотна до проектной отметки ; е - поперечный профиль земляного полотна после осадки основания ; 1 - вертикальные песчаные дрены ; 2 - дренирующий слой песка ; 3 - слой песчаного грунта земляного полотна , 4 - водоотводные канавы

После перемещения агрегата для устройства дрен на новое место бурения скважину заполняют песком одномерного гранулометрического состава , обеспечивающим наибольшее поглощение воды и максимальную фильтрацию . Скважины заполняют песком так , чтобы он возвышался над уровнем скважины на 0,25 м (см . рис. 8в ). Затем отсыпают слой из дренирующего песка (см . рис. 8г ) толщиной 0,25-0,5 м того же гранулометрического состава , что и в дренах (скважинах ). После этого отсыпают слой песчаного грунта толщиной около 0,6 м (см . рис. 8д ), из которого возводят земляное полотно . Оно оказывает давление на грунты слабого основания , под действием которого вода выжимается в песчаные дрены , поднимается по ним в дренажный слой и вытекает в боковые водоотводные канавы (см . рис. 8д, е ). Слабые грунты под насыпью земляного полотна сжимаются . Земляное полотно досыпают до проектной отметки с учетом осадки , величину которой определяют расчетом , учитывая способ производства работ по возведению земляного полотна .

Для устройства скважин песчаных дрен применяют вращательное бурение , бурение с промывкой , размыв водой , погружение в грунт полой обсадной трубы . Технология устройства скважин вертикальных дрен размывом водой впервые была применена в Нидерландах . Она заключается в том , что в грунт погружают трубчатое устройство из металла с включениями свинца , оснащенное ножом опускного колодца (кессона ), и под высоким давлением нагнетают воду . Труба не вращается , а поднимается и затем быстро опускается под действием собственной массы . Размывая грунт , вода образует скважины , которые заполняются песком . Данная технология устройства скважин песчаных дрен требует большого расхода воды . Кроме того , необходимо постоянно удалять вымываемый грунт . Скважины не укрепляют , поскольку содержащаяся в них вода поддерживает стенки , препятствуя внутреннему разрушению .

В СССР применяют технологию устройства вертикальных дрен с помощью вибровдавливающего погружателя свай типа ВВПС 20/11 или ВВПС 32/19, оборудованного полой обсадной трубой с самораскрывающимся при ее подъеме наконечником [ 12]. Достигшую заданной глубины трубу заполняют песком . Затем ее извлекают при включенном вибраторе . Скорость извлечения не должна превышать 0,1-0,2 м /с , иначе песок не будет свободно истекать из трубы и равномерно заполнять скважину .

При отсутствии вибровдавливающего погружателя песчаные дрены можно устраивать экскаватором , оборудованным направляющей мачтой , обсадной трубой и вибратором .

Технологическая сложность устройства и материалоемкость песчаных дрен ограничивают их применение . Кроме того , этот способ не всегда гарантирует надежность работы конструкции . При устройстве скважины вдавливанием обсадной трубы вокруг скважины образуется уплотненная зона , которая снижает водопроницаемость слабого грунта и влияет на скорость его консолидации . При излечении обсадной трубы возможен прорыв слабого грунта в тело песчаной дрены , в результате чего ухудшаются или даже нарушаются дренирующие свойства песчаного столба . При сдвигах или значительных осадках слабого основания возможен поперечный срез и разрыв дрены . Некоторые недостатки могут быть устранены применением соответствующей технологии устройства песчаных дрен . Например , для того чтобы избежать уплотнения стенок скважины , применяют технологию погружения обсадной трубы с подмывом , а также бурение скважин шнековыми установками .

Устранить указанные недостатки в значительной степени удалось за счет использования дрен заводского изготовления в виде плоских фитилей , получивших название ленточных дрен [ 13]. Картонные фитильные дрены , впервые были предложены шведским инженером Кьеллманом и применены в 1949 г . при строительстве аэродрома близ г . Стокгольма . На этом объекте было устроено около 900 тыс . м картонных дрен глубиной до 20 м [ 13]. Дрены имеют поперечное сечение размером 100× 3 мм и состоят из трех слоев специального водостойкого строительного картона . Два наружных слоя выполняют функцию фильтра , а средний имеет 10 продольных каналов , предназначенных для отвода воды , поступающей в дрену . При расчетах данная дрена считается эквивалентной столбу песка диаметром 50 мм .

Фитильные дрены устанавливают высокомеханизированным способом . Дрена заключается в оправку прямоугольного сечения , которая вдавливанием погружается в слабое основание . Малое поперечное сечение обсадной трубы не вызывает уплотнения грунта в околодренном пространстве . Другими преимуществами картонных дрен по сравнению с обычными песчаными дренами являются низкая стоимость , сохранение вертикальной непрерывности дрен при деформациях основания , а также возможность ускорения консолидации основания за счет очень близкого расположения дрен .

Известны песчаные фитильные дрены [ 14], состоящие из фильтрующей оболочки диаметром 65 мм , дополненной песком . Преимущество этих дрен заключается в том , что для их устройства требуются скважины относительно малого диаметра , в результате сохранения песка во втулке поддерживается непрерывность дрены , когда в основании происходят значительные деформации .

Дальнейшим усовершенствованием картонных фитильных дрен являются геодрены , которые представляют собой полиэтиленовые ленты с вдавленными продольными каналами , обернутые бумажным фильтром . Благодаря такой конструкции продольная дренирующая способность геодрены значительно превышает дренирующую способность традиционной песчаной дрены с такими же габаритами (при ширине 100 мм и толщине 4 мм геодрена имеет такую же дренирующую способность , что и песчаная дрена диаметром 150 мм ) [ 15].

Подобные геодрены применяют в СССР [ 13] Предложено два типа комбинированных дрен с многоканальным полиэтиленовым сердечником , изготовленным методом экструзии : в оболочке из упаковочной бумаги (первый тип ) и из фильтровальной синтетической бумаги (второй тип ). Недостатками комбинированной дрены являются низкая механическая прочность и слабая биостойкость оберточной бумаги , опасность прорыва фильтра из синтетической бумаги при механических воздействиях или деформациях основания , хранении и перевозке дрены . По данным работы [ 16], комбинированная дрена отечественного производства аналогична песчаной дрене диаметром 4 см .

С разработкой нетканых текстильных материалов (геотекстилей ) появились новые возможности в совершенствовании конструкции ленточных дрен . По сравнению с комбинированными дренами текстильные ленточные дрены имеют преимущества , главными из которых являются высокая технологичность и простота изготовления (дренами служат полосы текстильного материала ); возможность варьирования величины фильтрующей способности дрены путем изменения ее ширины ; деформативность и гибкость материала дрены , исключающие ее повреждение при любых условиях работы или транспортировании ; устойчивость против химического или бактериологического воздействия грунтовой среды [ 13]. Для погружения текстильных дрен используют те же механизмы и приспособления , что для геодрен и картонных дрен .

Расположение ленточных дрен в плане обычно назначают с шагом 0,5-2 м , поперечное сечение дрены имеет размеры 5× 100 мм . Для ускорения консолидации насыпи , как правило , используют временную пригрузку дополнительным слоем грунта .

4.2. Ускорение консолидации грунта с помощью горизонтальных геотекстильных прослоек

Новым способом повышения стабильности земляного полотна является применение прослоек из нетканых синтетических материалов , укладываемых между подошвой насыпи и слабым основанием . Синтетический материал не только упрощает производство работ по возведению земляного полотна , но и обеспечивает лучшее распределение нагрузки на основание , более равномерное уплотнение насыпи и предохранение материала насыпи от загрязнения торфом или другим слабым грунтом . Благодаря этому осадка насыпи уменьшается и происходит за более короткий период времени . В некоторых случаях текстильная прослойка способна воспринять часть сдвигающих напряжений , что способствует повышению устойчивости насыпи .

По данным венгерских специалистов [ 17], стоимости плавающей насыпи на торфе без прослойки и с текстильной прослойкой в основании приблизительно равны .

В практике нашей страны синтетические текстильные материалы в последнее время получили широкое распространение благодаря выпуску отечественного материала дорнит [ 17], который преимущественно используется при строительстве нефтепромысловых дорог на болотах Западной Сибири , а также лесовозных дорог .

4.3. Опыт применения вертикальных дрен

В США при строительстве подходов к мосту насыпь земляного полотна автомобильной дороги возводилась на слабом илистом грунте мощностью до 12 м [ 18]

По проекту предусматривалось удалить слабый грунт и отсыпать основание насыпи на всю ширину земляного полотна привозным грунтом , на что потребовалось бы много времени . Применение новой системы вертикального дренажа позволило значительно сократить сроки сооружения земляного полотна .

Предполагалось на слабых участках для повышения устойчивости насыпи в ее основании уложить слой древесных опилок , а для обеспечения равномерного распределения нагрузки от массы насыпи на слой ила уложить армирующий тканый материал .

Чтобы ускорить стабилизацию осадки насыпи , было запроектировано применение вертикальных фитилей -дрен . Подсчитано , что при расстоянии между вертикальными дренами 1,2 м стабилизация осадки насыпи произойдет за 4 месяца , при расстоянии 1,8 м - за 10 месяцев . При толщине слоя ила 12 м шаг фитилей -дрен был равен 1,2 м , при толщине 9 м - 1,5 м , при толщине 6 м - 1,8 м [ 18].

Дрены устраивали из картонных или пластиковых пористых трубок , закладываемых в прорезанные специальной машиной щели . При устройстве обычной системы вертикальных дрен над ними укладывают слой песка или отсортированного дренирующего каменного материала толщиной 0,6-0,9 м .

В данном проекте получена значительная экономия денежных средств за счет уменьшения толщины дренирующего слоя из каменного материала и использования тканого материала .

Строительство подхода к мосту осуществлялось в следующей последовательности : в основание дамбы укладывали армирующий тканый материал , после чего из привозного грунта отсыпали дамбу высотой 1,8 м , придавая откосам уклон 1,5:1. Участок между дамбой и существующей дорогой осушали , в зоне насыпи укладывали армирующий тканый материал , поверх которого отсыпали слой древесных опилок толщиной 1,5 м . Затем укладывали первый слой фильтрующего тканого материала , насыпали слой каменного материала толщиной 29 см , на который укладывали второй слой фильтрующего тканого материала . После этого укладывали первый слой насыпи толщиной 151 мм , устраивали вертикальные дрены и возводили насыпь земляного полотна до проектной отметки . После стабилизации осадки насыпи строили дорожную одежду .

Компания "Газ де Франс " (Франция ) при строительстве аварийных емкостей для сжиженных газов в Монтуар -де -Бретань (морской порт Нант -Сен -Назер ) [ 15] применила бумажные дрены для дренирования грунтов и ускорения осадок основания под временной пригрузкой с целью обеспечения строительства оградительных стенок шириной и высотой по 6,5 м ; средний периметр одной стенки составляет 588 м .

Перед строительством оградительных стенок на площадке шириной 18 м по сетке 2× 2 м были установлены бумажные дрены шириной 97 мм , толщиной 4 мм , имеющие 56 дренирующих канавок .

Каждая четвертая дрена заглублялась в скалу (погружалась на глубину 30 м ). Остальные дрены погружались только на глубину 15 м , так как основной целью временной пригрузки было уплотнение поверхностного слоя илов , на которые непосредственно воздействовали запроектированные сооружения . В апреле и мае 1977 г . в грунт было погружено 121120 м бумажных дрен .

Временная пригрузка шириной 6 м по гребню и 18 м в основании (общая толщина 6 м ) осуществлялась в несколько этапов . В сентябре 1977 г . толщина пригрузки составляла 1 м , в мае 1978 г . - 3м и в мае 1979 г . - 6 м . Осадки основания , измеряемые с начала производства работ , в мае 1979 г . составляли 1,8 м у первого резервуара и 2,6 м у второго резервуара .

Эффективность текстильных дрен проверена трестом Калининградстрой Минстроя СССР на опытной площадке , расположенной в пойме одной из рек [ 19]. Грунтовая толща на глубину свыше 10 м была сложена аллювиальными илистыми отложениями , водонасыщенными и частично заторфованными . На площадке предстояло построить промышленное предприятие . Проектом было предусмотрено предварительное предпостроечное уплотнение слабого основания с помощью вертикальных песчаных дрен . В порядке эксперимента часть песчаных дрен заменили текстильными . Перед началом строительства на всем участке отсыпали песчаную подушку толщиной 1-1,5 м , сквозь которую погружали дрены . Общая нагрузка на основание от насыпи и пригрузки составила 0,08 МПа .

Осадки измеряли при помощи поверхностных и глубинных марок , избыточные поровые давления определяли поропьезометрами тензометрического типа , установленными на глубине 2,5 и 5 м в центре сетки квадратов . Экспериментальные данные , характеризующие изменение степени консолидации и избыточного порового давления во времени были близки к расчетным данным .

Анализ полученных теоретических и экспериментальных зависимостей избыточного порового давления от времени и глубины показывает , что скорость его рассеивания уменьшается с увеличением глубины . Это может быть объяснено несколькими обстоятельствами . Во -первых , дополнительной консолидацией верхнего горизонта за счет вертикальной фильтрации . Во -вторых , не исключено , что дрена сечением 100×5 мм , обжатая боковым давлением грунта , обладает значительным гидравлическим сопротивлением или имеет недостаточную площадь поперечного сечения . Поэтому дрены из материала дорнит Ф -2 сечением 100×5 мм целесообразно применять для ускорения консолидации водонасыщенных оснований , имеющих небольшие толщины и сложенных грунтами , обладающими низкой водопроницаемостью . При таких условиях гидравлическое сопротивление дрен будет незначительный и их можно рассматривать как идеально водонепроницаемые относительно уплотняемого грунта . При большой толщине уплотняемых грунтов и сравнительно высокой их водопроницаемости гидравлическое сопротивление дрен из дорнита Ф -2 будет значительным , что приведет к снижению их эффективности или вызовет необходимость увеличить площадь сечения дрены .

Текстильные дрены погружали с помощью серийного сваебойного агрегата С -878, оснащенного специальным навесным оборудованием .

Техническая характеристика агрегата С -878

Масса , т                                                      21,5

Глубина погружения , м                            12

Удельное давление на грунт , МПа          0,093

Скорость погружения , м /мин                   5

Сменная производительность , шт .          100

Навесное оборудование отличается простотой и может быть изготовлено в механических мастерских . Оно представляет собой обсадную трубу прямоугольного сечения для выхода дрены . Трубу погружают статическим вдавливанием с помощью трособлочной системы , приводимой в действие гидравлическими домкратами . На направляющую мачту навешивается барабан (бобина ) с дреной и затем ее свободный конец заводится в обсадную трубу .

Процесс погружения дрены заключается в следующем . Перед погружением конец дрены , выходящий из нижней части трубы , заправляется в ее торец и в образуемую петлю вставляется металлический стержень -анкер . Затем труба вместе с дреной погружается в грунт . После погружения дрены на проектную глубину труба поднимается вверх . При выходе ее нижнего конца из грунта дрену обрезают на высоте 15-20 см от поверхности площадки .

Технология погружения текстильных дрен не имеет существенных отличий от технологии устройства вертикальных песчаных дрен . Однако применение обсадной трубы малого сечения , примерно в 10 раз меньше , чем при устройстве песчаных дрен , а также отсутствие операций по транспортированию и загрузке песка позволяют существенно упростить технологию и организацию работ , повысить их производительность в 4-4,5 раза и снизить трудоемкость почти в 10 раз .

4.4. Эффективность использования вертикальных дрен

Об эффективности использования вертикальных дрен с целью ускорения консолидации в слабых и особенно торфяных грунтах существуют противоречивые данные . В работе [ 20] дано сравнение поровых давлений в торфяном основании с дренами и без них .

Геологический разрез по оси трассы представлен следующими отложениями : от 0 до 4 м -суглинки и илистые глины , содержащие линзы торфа ; от 4 до 15 м - торфяные грунты ; от 15 до 17 м - песок и гравий с примесями мела ; глубже 17 м - меловые отложения .

На основании того , что не было отмечено различий между степенью консолидации на обоих участках , использование дрен для ускорения осадок торфяных грунтов неэффективно .

Эффективность использования вертикальных дрен зависит от проницаемости и сжимаемости слабого грунта [ 14]. Дрены , очевидно , следует устраивать лишь тогда , когда проницаемость слоев грунта мала и необходимо ускорить дренирование для обеспечения требуемой степени консолидации в течение заданного периода времени . Свойства грунтов , содержащих протяженные включения песка , не улучшаются при устройстве песчаных дрен .

При малых нагрузках от массы насыпи проницаемость торфяных грунтов высока и дренирование не требуется . При больших нагрузках эффективность использования дрен может уменьшиться при увеличении эффективных напряжений , высокие градиенты напора вблизи дрен могут привести к формированию зон уплотненного торфа с малой проницаемостью , которые будут препятствовать эффективной работе дрен [ 14]

Основным фактором , влияющим на эффективность применения вертикальных дрен , является сжимаемость грунта [ 14]. В связи с тем , что основной функцией дрен является ускорение дренирования воды из сжимаемой грунтовой массы , они должны влиять на скорость первичного уплотнения , но не оказывать влияния на вторичные осадки . Таким образом , необходимость устройства дрен зависит от величины осадки , которая может быть ускорена путем устройства дрен , по сравнению с общей осадкой . Л . Бьерумм [ 13] считает , что эффективность устройства дрен будет увеличиваться с увеличением так называемого коэффициента эффективности ŋ

                                                                              (20)

где Sпереб - первичные (фильтрационные ) осадки ;

Sобщ - общая осадка .

В литературе имеется мало примеров , по которым можно было сопоставить скорости осадки насыпи с дренами и без дрен . В работе [ 14] приведено весть таких примеров е указанием величины коэффициента ŋ . В случаях , когда дрены были эффективны , ŋ изменяется в пределах 0,6-0,8. Грунтами основания являлись в основном слабые водонасыщенные глины и илы . Для двух насыпей дрены оказались неэффективными (ŋ = 0,25), т .е . фильтрационные осадки составляли лишь 25 % от общей , вследствие чего дрены не могли оказать существенного влияния на ускоренна осадок основания .

Предпосылки Л . Бьеррума [ 14] подтверждаются исследованиями Белдорнии , целью которых являлось обобщенна и типизация слабых оснований по характеру консолидации [ 2]. На основе этих исследований по характеру консолидации установлено три типа слабых оснований из грунтов органического происхождения . Так , для оснований I типа обязательно наличие стадии фильтрационной консолидации , при этой доля ее в общей осадке составляет в зависимости от вида кривой консолидации от 14 до 91 %. Основания II и III типа характеризуются тем , что у них отсутствует стадия фильтрационной консолидации ; уплотнение в основном происходит в стадии вторичной консолидации и ползучести . При этом в качестве обобщенной характеристики , определяющей конкретный вид кривой консолидации и тип основания по характеру консолидации , принимается относительная деформация λ = Sобщ (где Н -мощность слабой толщи ). Таким образом , как и в работе [ 14], определяющим фактором при установлении эффективности вертикальных дрен является сжимаемость грунта

При λ > 0,15 основания относятся к I типу по характеру консолидации , при этой преобладающей в 50-100 % случаев является стадия фильтрационной консолидации . При λ = 0,15-0,30 продолжительность консолидации основания , по данным опытов , изменяется в пределах 1-1510 сут . Поэтому при решении вопроса о применении вертикальных дрен следует исходить из фактической проницаемости органического грунта . При λ > 0,40 продолжительность фильтрационной осадки , составляющей 70-91 % от общей осадки , находится в пределах 1-120 сут и в данном случав использование дрен для ускорения осадки оказывается неэффективным .

При оценке эффективности применения дрон необходимо учитывать как тип основания по характеру консолидации (что достаточно точно определяется по величине относительной деформации λ), так и водопроницаемость слабого грунта . На основании исследований установлено , что в грунтах органического происхождения наиболее целесообразно применять вертикальные дрены в основаниях 1 типа по характеру консолидации , относительная деформация которых при расчетной нагрузке находится в пределах 0,15-0,40,

В табл. 6 приведены технико -экономические показатели устройства дрен разных типов длиной 12 м на участке дороги протяженностью 1 км [ 13].

Таблица 6

Тип дрены

Расстояние между дренами , м

Количество дрен на 1 км дороги , тыс . шт .

Стоимость одной дрены , р .

Общая стоимость дрен , тыс . р .

Экономический эффект от использования ленточных дрен , тыс . р .

Песчаная дрена диаметром 400 м

2,0

6

34-48

206,9

-

Комбинированная дрена с оболочкой из бумаги

1.5

10,7

5-27

56,2

150,7

Комбинированная дрена с оболочкой из синтетической бумаги

1,5

10,7

3-74

93,1

113,8

Дрена из дорнита

1,5

10,7

4-81

51,3

155,6

Наибольший эффект достигается при устройстве дрен из дорнита . Трудоемкость устройства песчаных дрен составляет 1500 чел . - дней , из дорнита - 320 чел . - дней на 1 км .

V . МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ КОНСОЛИДАЦИИ

Метод динамической консолидации пока не нашел применения для стабилизация насыпей автомобильных дорог и других транспортных объектов в отечественной практике . Однако большие возможности этого метода , сравнительная его простота я невысокая стоимость строительных работ привели к широкому применению этого метода за рубежом . Метод разработан и запатентован в семидесятые годы фирмой "Текник Луи Менар " (Франция ).

5.1. Теоретические предпосылки метода

Динамическая консолидация заключается в циклической приложении к поверхности грунта больших свободно падающих нагрузок (максимальная масса достигает 40 т , высота падения до 40 м ). Ударные волны и высокие напряжения в грунта обусловливают компрессию пор , приводят к разжижению грунта и образованию в нем трещин в результате перенапряженного состояния .

Уплотнение грунта проводят за несколько проходов с перерывами на диссипацию поровых давлений . Для определения величины нагрузок , высоты падения и количества проходов уплотнителей перед началом работ выполняют полевые и лабораторные исследования . В ходе динамической консолидации проводят контрольные наблюдения с целью определения состояния грунта . Установлено , что данный процесс способствует значительному уменьшению сжимаемости грунта , увеличению его прочности и устранению последствий , возникающих в результате вторичной консолидации . Глубина уплотнения основания достигает 15-20 м .

Выбор массы трамбовки µ и высоты падения h зависит прежде всего от толщины Н уплотняемого слоя . Энергия удара µ h . является основным параметром , значение которого на практике варьирует в пределах 150-500 тм (в некоторых случаях может достигать 1000-2000 тм ).

В первом приближении этот параметр выражается следующей зависимостью

µ h > H2                                                                                                             (21)

Обычно для консолидации сжимаемого слоя толщиной до 10 м используют трамбовку массой 8 т , сбрасываемую с высоты 13 м ; для консолидации слоя толщиной 20 м массу трамбовки увеличивают до 16 т , а высоту падения - до 25 м .

Метод динамической консолидации применяют как для уплотнения рыхлых минеральных грунтов , так и слабых водонасыщенных грунтов . В последнем случае на слабый грунт должна быть сначала отсыпана насыпь достаточной толщины , назначение которой состоит в создании рабочей платформы , более полной передаче импульса падающего груза слабому грунту и обеспечении пригрузки уплотняемой толщи .

Перед началом работ по динамическому уплотнению грунта проводят обследование участка . Предварительно в лаборатории с помощью динамического одометра определяют необходимую для "разжижения " грунта энергию , продолжительность паузы к вероятное количество уплотнительных фаз .

Учитывая результат каждого уплотнения , снова устанавливают высоту падения , массу падающего груза и силу удара . Сразу же после каждого уплотнения измеряют глубину погружения трамбовки в грунт , а также перемещения прилегающих слоев грунта , результаты заносят в график . Давление воды в порах грунта постоянно контролируют а помощью пьезометра . С использованием приборов для определения давления и сопротивления сдвигу грунта можно следить за постепенным улучшением несущей способности грунта во время уплотнения и после него .

Сравнивая результаты , устанавливают в грунте зоны , для которых требуется большая ударная нагрузка или дополнительное уплотнение . Чтобы получить желаемый результат , необходимо изменить режим работы . С помощью различных методов обработки можно наряду с улучшением свойств грунта , повышать его однородность .

5.2. Опыт применения метода динамической консолидации

Примером использования динамического уплотнения грунта является автодорожный узел Эбен в Австрии [ 21]. С помощью этого метода была обработана площадь грунта в 60 тыс . м 2 . Неоднородный по составу грунт состоял на глубину до 14 м из торфа , глинистого тонкозернистого песка и обычного тонкозернистого песка . Кроме того , в грунте содержалось немного гравия и песка , которые могли оседать . Сверху на грунт планировалось засыпать слой гравия толщиной 1,5 м . Энергия используемой техники фирмы Менард (Франция ) составляла 100-450 тм , а уплотнение можно было осуществлять на глубину до 14 м .

В результате уплотнения осадка грунта составляла 1,5-3,6 м . Общая продолжительность работ с использованием экскаваторов грузоподъемностью 120 тс в количестве 1-3 шт . заняла около года .

Весной 1976 г . впервые в Швейцарии для повышения несущей способности грунта метод динамической консолидации был применен на участке автомобильной магистрали протяженностью 3 км [ 22].

До начала производства работ были разработаны технические условия , регламентирующие правила и последовательность выполнения различных операций . Применять указанный способ рекомендуется на торфяных грунтах , где осадка за 5 лет может достигать 2-4 %.

На работах по динамическому уплотнению можно использовать модифицированные экскаваторы (для подъема груза до 20 т ) или специальные краны . В описываемом примере использован кран массой 250 т для подъема груза 40 т на высоту до 40 м . Для движения крана отсыпали насыпь из дренирующего материала (гравийно -песчаной смеси ). Насыпь заглублена в грунт на 5,5-6 м , а возвышается над поверхностью грунта на 0,5-1,5 м . На рис. 9 показана осадка основания во времени при динамической консолидации в месте , где толщина слоя торфа и меловых отложений достигла 10 м .

Рис . 9. Изменение осадки основания во времени при динамической консолидации :

1 - область статической осадки ; 2 - область приращения осадки , обусловленной динамической консолидацией ; 3 - область , где скорость осадки меньше 2 см /мес

В зонах , где под слоем торфа залегали слабые песчано -суглинистые грунты , были отмечены осадки , превышающие допустимые по техническим условиям [ 22].

Стоимость 1 пог . км автомобильной магистрали , построенной с использованием метода динамической консолидации , примерно составляет 9 млн . швейцарских франков , стоимость же работ с устройством дрен на 75 % больше [ 22].

Подобные методы стабилизации оснований применяются также в Польше [ 23]. Из -за ограниченного количества тяжелых кранов используются более легкие трамбовки (массой 4-6 т ), сбрасываемые с высоты 5-10 м . Несмотря на то , что энергия ударов меньше , чем рекомендуемая при динамической консолидации , были получены положительные результаты .

В 1976 г . в Польше по этому методу уплотняли песчаную подушку в основании высокого устоя железнодорожного моста , а в 1978г . песчаную подушку для фундаментов виадука . Контрольное зондирование показало , что на глубине около 4 м грунт очень уплотненный , на глубине 6-7 м плотный или средней плотности .

В 1979-1980 гг . осуществляли уплотнение основания земляного полотна при строительстве узла Торнуской трассы и Вислострады в г . Варшаве . Опоры виадуков и эстакад сложного узла были построены на сваях . Часть объектов расположена на площади неконтролируемых насыпей (свалки земли , строительного и другого мусора ) толщиной до 5-8 м . Во избежание появления больших и неравномерных осадок подмостей после укладки бетона , очень опасных для конструкции , сначала было запроектировано основание на деревянных сваях . Это решение имело существенные недостатки : высокая стоимость , дефицит строительных материалов для свай , а также сложность забивки без повреждения свай в грунт , содержащий строительный мусор , металлолом и куски железобетона .

По инициативе исполнителя работ Варшавского предприятия строительства электростанций и промышленных объектов "Бетон -сталь” деревянные сваи заменили фундаментами , опирающимися на уплотненное основание . Технологию уплотнения и технические требования разработал научно -исследовательский институт дорог и мостов .

При производстве работ использовали трамбовку диаметром 1,2 м , массой 6,2 т , подвешенную на высоте 10 м к стреле экскаватора с крановым оборудованием . Предусматривалось , что энергия ударов должна обеспечить уплотнение основания на глубину до 7 м [ 22].

Уплотнению подвергалась вся поверхность площади между опорами . Размещение точек трамбования было увязано с формой и размерами фундаментов подмостей . В качестве основной была принята треугольная сетка со стороной 2,2 м . Необходимое число ударов в точке определено на основании пробных испытаний . Размеры воронки , пробиваемой при последующих ударах , показали , что минимальное количество ударов составляет 6-8, с запасом их количество было принято равным 10.

После первой фазы трамбования территорию нивелировали . Спустя несколько дней осуществили вторую фазу трамбования ударами трамбовки диаметром 1,5 м , массой 4,2 т , сбрасываемой с высоты 5 м . В этой фазе всю поверхность территории трамбовали таким образом , чтобы следы ударов накладывались друг на друга . Цель этой операции заключалась в уплотнении поверхностного слоя грунта между точками ударов , который подвергается ослаблению вследствие колебаний , вызванных ударами большой мощности .

Ввиду неоднородности грунтовых условий осложняется контроль результатов . На площадке , где складировали строительный мусор , невозможно было произвести бурение или зондирование . Поэтому испытания проводили пробным нагружением фундамента размером 3× 3 м . На фундамент воздействовали нагрузкой 126 т , что соответствовало давлению 1,4 кгс /см 2 . Осадка фундамента составила 22 мм , модуль деформации уплотненного основания был равен 150 кгс /см 2 . При этом значении модуля расчетная осадка подмостей была в допустимых пределах . Несмотря на неоднородность основания , благодаря одинаковой энергии ударов , приходящейся на единицу поверхности , получено однородное по сжимаемости основание . Это подтвердили результаты измерений осадок 24 опор подмостей первого забетонированного участка эстакады . Средние опоры , нагруженные нагрузкой 90 т , дали осадку от 2 до 10 мм , неравномерность осадок в этом случае была невелика . Это свидетельствует о том , что трамбование обеспечило однородную осадку основания и поставленная цель была достигнута .

На участке одной из эстакад в основании были мягкие связные грунты . Трамбовка выбивала в них воронки значительно глубже , чем на других участках (свыше 1,5 м ). В этой зоне ограничились количеством ударов в первой фазе до пяти . Образовавшиеся воронки заполнялись песчаным грунтом . Затем осуществлялась вторая фаза трамбовки в точках , расположенных между первичными точками .

Только после этих двух фаз и выравнивания территории производилось окончательное уплотнение всей поверхности трамбовкой массой 4 т .

Работы осуществлялись под тщательным авторским надзором . Опыт , накопленный в процессе строительства трех мостовых объектов , позволил рекомендовать при уплотнении основания фундаментов и насыпей трамбование с использованием имеющегося в стране оборудования . Этот метод значительно дешевле по сравнению с устройством глубоких свайных фундаментов .

При сооружении подходной насыпи высотой 15 м к путепроводу на автомобильной дороге Шарлевиль -Сезан (Бельгия ) при очень низкой механической прочности грунта было осуществлено динамическое уплотнение с интенсивностью 300 тм /м 2 за два прохода с интервалом две недели [ 24]. После уплотнения осадка насыпи достигла 80 см . Проведенные испытания показали , что несущая способность насыпи сразу после второго трамбования составила 3,5 кгс /см 2 .

При сооружении участка автомобильной дороги Рукур -Горэн (Бельгия ) необходимо было возвести насыпь высотой 2-4 м , уложенную на слой сжимаемого грунта толщиной 3-8 и ; объем грунта , отсыпаемого в насыпь , составил 60 тыс . м 3 при влажности до 30 %. Дня динамического уплотнения грунта использовали груз массой 10 т с площадью основания 4 м 2 , падающий с высоты 18 м . При средней интенсивности уплотнения 550 тм /м 2 (за несколько проходов ) средняя осадка насыпи составила 60 см на площади 35 тыс .м 2 [ 24].

При сооружении причала длиной 750 м в порту Зелзате требовалось отсыпать за шпунтовую стенку и уплотнить свыше 100 тыс . м 3 рыхлых илистых песков . По мере регулирования пульпы за шпунтовое ограждение грунт уплотняли участками шириной 10-15 м трамбовкой массой 15 т , падающей с высоты 25 и при средней интенсивности 400 тм /м 2 за два прохода [ 24].

При Сооружении подходной насыпи к виадуку на автомобильной дороге Брюгге -Турне (Бельгия ) необходимо было отсыпать и уплотнить слой грунта толщиной 7-9 м на слое сжимаемого ила толщиной 8-10 м . Для этого произвели динамическое уплотнение с интенсивностью 250 тм /м 2 , что обеспечило осадку основания до 60 см на площади 10 тыс . м 2 [ 24].

В результате проведенных работ установлено , что осадка насыпи и ее плотность возрастают при увеличении числа ударов на единицу поверхности . В средних грунтах один удар трамбовки с площадью основания 1 м 2 дает осадку 40 см , два -65 см , три -80 см и четыре -90 см [ 24].

Эффективность уплотнения зависит от природы грунта , его влажности и интенсивности уплотнения . Для повышения качества уплотнения на каждом участке необходимо проводить лабораторный контроль при помощи датчиков напряжений , устанавливаемых на разной глубине в теле насыпи .

Опыт применения данной технологии подтверждает экономичность динамического уплотнения слабых грунтов в стесненных условиях .

В процессе уплотнения грунтов трамбованием во Франции [ 15] при сооружении причала в одном из портов в 1975 и 1976 гг . за очень короткое время была ограничена неравномерность осадок (менее 1,5 см между двумя точками на расстоянии 10 м ) и уменьшены абсолютные осадки (менее 3 см под нагрузкой 5 тс /м 2 ), кроме того , построен склад на фундаменте с нагрузкой 1,5 кгс /см 2 , что позволило избежать устройства глубокого фундамента и ограничить неравномерность осадок до 1,5 %.

Грузовые площадки причала сначала были намыты с использованием песчаных материалов с примесью ракушечника , добытых в русле р . Жиронда . Намытые грунты толщиной 8-15 м имели предельное давление порядка 10 кгс /см 2 и располагались на слое илов толщиной 1-2 м , под которыми лежали пески с хорошими механическими характеристиками .

Сжатые сроки ввода в эксплуатацию первой очереди строительства причала вызвали необходимость отказаться от классического метода пригрузки грунтов на месте , на что потребовались бы значительные затраты времени (более одного года ). Грузовые площадки должны были быть введены в эксплуатацию после завершения рефулерных работ меньше чем через год на большинстве участков . Уплотнение грунтов трамбованием дало возможность не только осуществить строительство , но и обеспечить последующие допускаемые осадки грунтов .

Ниже дается краткое описание работ , которые были выполнены на участке общей площадью 30 тыс . м 2 .

Для обеспечения допустимых абсолютных осадок под равномерно распределенной нагрузкой 5 тс /м 2 необходимо соблюдать следующие требования : 80 % осадок по каждому профилю должны быть менее 3 см ; ни в одной точке по каждому профилю осадки не должны превышать 5 см .

Перед уплотнением грунтов трамбованием были проведены исследования с целью определения механических характеристик намытых грунтов (прессиометрические испытания , определение структуры намытых грунтов и наличие случайных линз илов ). Исследования проводились в среднем , до глубины 15 м через каждый метр .

Для контроля перового давления в подстилающий сжимаемый слой илов были заложены датчики , которые использовались в течение всего периода производства работ .

Последовательность расположения слоев грунта на площадке следующая :

намытый песок - толщина слоя 8-10 м ; предельное давление 3 кгс /см 2 в свеженамытых грунтах и 17 кгс /см 2 в ранее намытых грунтах ; прессиометрический модуль от 15 до 140 кгс /см 2 ;

илы - толщина слоя от 0,7 до 1,8 м ; предельное давление от 1 до 4 кгс /см 2 прессиометрический модуль от 10 до 30 кгс /см 2 ;

заиленные пески на глубине 12 м и ниже ; предельное давление более 5 кгс /см 2 , прессиометрический модуль более 30 кгс /см 2 .

Работы осуществлены производственной фирмой "Текник Луи Ненар " (Франция ). Для уплотнения грунтов использовали экскаватор на гусеничном ходу со свободно падающим грузом площадью 4 м и массой 16 т с высоты 25 м , т .е . с ударной энергией 400 тм .

При этом работы были проведены в следующей последовательности :

1 этап - уплотнение грунта отдельными ударами ; в соответствии с сеткой 10× 10 м в каждой точке производилось 20-25 ударов с удельной энергией от 80 до 100 тм /м 2 ;

2 этап - уплотнение грунта отдельными ударами ; во всех обработанных точках первого этапа производилось 20 ударов с удельной энергией 80 тм /м 2 ;

3 этап - уплотнение непрерывным трамбованием ; уплотнение по всей поверхности обрабатываемого участка (выравнивающее трамбование ) с удельной энергией 40 тм /м 2 [ 24].

Во время работ контроль уплотнения осуществляли измерением объема углубления и валиков выпора грунта , средних осадок после уплотнения (10-20 см при уплотнении отдельными ударами , 5 см при уплотнения непрерывным трамбованием ), избыточного порового давления , которое быстро рассеивалось . Между каждым из этапов производства работ по уплотнению грунтов соблюдался 10-дневный перерыв .

Контрольные скважины были пробурены на глубину 15 м . В процессе контроля выявлено значительное увеличение средней величины предельного давления . В результате проведенных работ прочность грунта возросла на 75 % [ 24]. Также значительно повысилась равномерность распределения механических характеристик грунтов , так как показатель неравномерности , рассчитанный на основании данных прессиометрических испытаний , уменьшился с 0,47 до 0,27.

Последующие осадки рассматриваемых сооружений были определены по каждой контрольной скважине на основании теории Менара .

В процессе проверки соблюдения требований к осадкам грунтов под контейнерные грузовые площадки с равномерно распределенной нагрузкой 5 тс /м 2 выявлено , что осадки не превышали 5 см ; 80% осадок были менее 3 см ; средняя величина осадок составляет 2,12 см [ 24].

Проведенные работы показали высокую эффективность метода динамической консолидации при уплотнении слабых грунтов . Вместе с тем , когда сроки консолидации слабых грунтов в течение одного года или нескольких лет могут быть совмещены со сроками строительства , одним из наиболее широко используемых методов является метод уплотнения грунтов временной пригрузкой .

VI . ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ

Дорожно -транспортной научно -исследовательской лабораторией Великобритании проведен анализ экономической эффективности различных способов ускорения консолидации грунтов [ 25]. Сравнивались методы дренирования (песчаные дрены , песчаные фитильные дрены , картонные фитильные дрены , продольные дрены ), динамической консолидации и временной пригрузки .

Результаты экономического анализа этих методов , а также оптимальная область их применения в зависимости от глубины слабого грунта и площади участка приведены на рис. 10 . Применение песчаных дрен , скважины для которых устраивают посредством размыва , и динамическая консолидация являются наиболее экономичными методами .

Рис . 10. Рекомендуемые области применения различных методов стабилизации слабых оснований :

1 - дренирование песчаными дренами ; 2 - то же , продольными дренами ; 3 - то же , песчаными фитильными дренами ; 4 - метод динамической консолидации.

Экономичным способом ускорения консолидации проницаемых грунтов при небольшой толщине сжимаемого слоя является также применение пригрузки , однако для определенных типов грунтов данный способ (если он не используется в комбинации с устройством дрен ) не эффективен (значительного ускорения осадок не наблюдается ).

Затраты на пригрузку в комбинации с устройством песчаных дрен (размыв скважин ) приблизительно аналогичны самым низким стоимостным показателям динамической консолидации .

Песчаные фитильные или обычные песчаные дрены не экономичны в том случае , когда для устройства скважин применяют технологию вращательного бурения или бурения с промывкой . При этом затраты будут почти в 2, а при необходимости укрепления стенок скважин в 4 раза больше затрат на динамическую консолидацию .

При мощности слабого грунта до 6 м и площади участка до 5000 м 2 более эффективен и экономичен способ устройства продольных дрен .

В настоящее время в Великобритании самым распространенным способом ускорения консолидации является применение временной пригрузки [ 25].

Специалистами 16 стран (Бельгии , Канады , Финляндии , Франции , ФРГ , Ирландия , Италии , Японии , Голландии , Норвегии , Испании , Швеции , Швейцарии , Турции , Англии , США ) составлен отчет [ 26] о международном уровне развития строительства автомобильных дорог на сжимаемых основаниях , в котором дан краткий сравнительный анализ экономической эффективности различных методов стабилизации оснований . В отчете указывается на то , что относительные затраты на разные методы различны и зависят от местных условий . Наиболее дешевым является метод временной пригрузки .

Оборудование строительной площадки для устройства вертикальных дрен требует больших затрат , поэтому при небольших объемах работ этот метод рассматривается как неэкономичный . Метод динамической консолидации по затратам оценивается так же , как и устройство вертикальных дрен , поэтому обработка малых площадей также экономически невыгодна .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В обзоре рассмотрены основные способы обеспечения стабильности дорожных насыпей на слабых и сильносжимаемых грунтах . Отечественный и зарубежный опыт показывает , что если сроки консолидации слабых грунтов не превышают сроки строительства , то одним из наиболее рациональных методов стабилизации слабого основания является метод временной пригрузки . Важным преимуществом временной пригрузки является то , что она дает возможность ускорить не только первичные (фильтрационный ), но и вторичные осадки и осадки ползучести .

Даны теоретическое обоснование метода временной пригрузки , расчет ее величины и продолжительности действия . Показано , что по условиям ускорения осадок пригрузка будет эффективна лишь в том случав , если ев величина не меньше минимально допустимой .

Временная пригрузка применяется и в сочетании с вертикальными дренами , поскольку дрены ускоряют только фильтрационные осадки . Опыт показывает , что устройство вертикальных дрен совместно с временной пригрузкой наиболее целесообразно при строительстве на органических илах (сапропелях ), когда необходимо ускорить отвод воды из водонасыщенного основания , а применение одной пригрузки не дает эффекта вследствие замедленного отжатия воды из таких грунтов . Для торфяных грунтов , наоборот , устройство дрен в большинстве случаев нецелесообразно , поскольку их водопроницаемость и сжимаемость достаточно высоки и длительность фильтрационной осадки не является определяющей . Однако , если относительные осадки органо -минеральных грунтов находятся в пределах 0,15-0,30 вопрос об использовании вертикальных дрен должен решаться с учетом фактической водопроницаемости органо -минеральных грунтов . Из конструктивных решений заслуживают внимания ленточные дрены из текстильных синтетических материалов .

Метод уплотнения грунтов трамбованием в последнее время получил развитие в результате увеличения мощности ударов и применения специальной технологии производства работ , позволяющих уплотнять грунты на глубину до 20 м . Метод опробован как на недостаточно уплотненных минеральных грунтах (пески , глины , крупнообломочные материалы ), так и при уплотнении слабых оснований , сложенных органо -минеральными грунтами , при этом получены хорошие результаты .

Выбор метода стабилизации слабого основания зависит от многих факторов и в каждом случае должен быть обоснован технико -экономическими расчетами .

список литературы

1. Руководство по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах /Минтрансстрой СССР , Союздорнии . - М .: Транспорт , 1978.

2. Яромко В .Н . О типизации слабых оснований по характеру консолидации . - Основания , фундаменты и механика грунтов , 1983, № 4

3. Яромко В .Н . Прогнозирование осадок слабых водонасыщенных грунтов . - Основания , фундаменты и механика грунтов , 1977, № 3

4. Амарян Л .С . О закономерностях одномерного уплотнения органо -минеральных грунтов . - Основания , фундаменты и механика грунтов , 1980, № 5.

5. Инструкция по расчету дорожных насыпей на торфяных грунтах : РСН 09-84/Госстрой БССР . - Минск , 1984.

6. Проектирование транспортных узлов в сложных геологических условиях / И .Е .Евгеньев , В .Н . Яромко , В .В . Сеськов и др . - Автомоб . дороги , 1979, № 2.

7. Евгеньев И .Е ., Казарновский В .Д . Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах . - М .: Транспорт , 1976.

8. Яромко В .Н ., Банников Н .Д ., Сеськов В .Е . Опыт применения предварительной консолидации и временной пригрузки . - М ., 1976. - (Тр ./Союздорнии ; Вып .91).

9. Яромко В .Н . О путях ускорения сроков сооружения земляного полотна нефтепромысловых дорог на болотах . - В кн .: Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и мостов . Ч ,1, Минск , 1982.

10. Разработка технологии и предложений по ускоренному строительству дорог в Западной Сибири и оказание помощи в их внедрении /Белдорнии . - Минск , 1983.

11. Recordon E. Sctzung des Untergruades unter Dimnen. - Strasse und Verkehr, 1975, № 8.

12. Методические рекомендации по расчету и технологии сооружения вертикальных песчаных дрен и песчаных свай при строительстве земляного полотка на слабых грунтах /Союздорнии . - М ., 1974.

13. Полуновский А .Г ., Пудов Ю . B ., Растворцев А .С . Ускорение уплотнения слабых грунтов ленточными дренами . - ЭИ /ВПТИ - трансстрой . Стр -во трансп . гидротехн . сооружений , 1983, вып .2.

14. Вопросы строительства насыпей на слабых грунтах / ВЦП . -№ Ц -52942.

15. Последние достижения в области производства тяжелых работ на слабых грунтах на грузовых площадках в Бордо и других портах /ВЦП . - № Г -31357.

16. Вреднее А .В . Эффективность применения комбинированных дрен отечественного производства при консолидации оснований , - Основания , фундаменты и механика грунтов , 1981, № 4.

17. Полуновский А .Г ., Брантман Б .П . Применение нетканых синтетических материалов при строительстве автомобильных дорог на слабых грунтах . - М ., 1979. - (ОИ /Оргтрансстрой ).

18. Wicks, fabrics and sawdust overcome thick mud. - Civil Engineering, 1981, № 7.

19. Ускорение осадки насыпей на слабых грунтах с помощью ленточных дрен /А .В . Бреднев , А .Г . Полуновский , Ю .Г . Пудов . - Автомоб . дороги , 1982, № 6.

20. Выводы , полученные при пересечении заторфованной долины /Бел -НИИНТИ . - № 287/2.

21. Eder P., Apotheloz R. Das DYNIV - Verfahren. - Strasse und Verkehr, 1966, № 4.

22. Marhand I.-P. Premieres experiments avec procede de consolidation dynamique. - Strasse und Verkehr, 1976, № 5.

23. Klosinski В ., Gawor B. Wzmocnienie gruntov nasypowych udarami о duzej eaergii. - Drogowniechwo, 1981, № 7-8.

24. Динамическое уплотнение дорожных оснований . - ЭИ /Оргтрансстрой . Трансп . стр -во за рубежом , 1977, № 7.

25. An economic assessment of methods of accelerating the consolidation of natural Soils. - TRRL Supplementary-Report, 1977, № 203.

26. Bruggenmann K. Bau von Strassen auf setzungsemphfindlichen Untergvund. - Strasse und Autobahn, 1982, № 2.

Еще документы скачать бесплатно

Интересное

Гост 12815 80 Гост 15150 Гост 3262 75 Гост 9833 73 Инструкция и 1 13 07 Испытание предохранительных Поясов Масштабы гост Мпбээ Обозначение насоса на схеме Плотность газа Размеры транспортерных лент для желобчатых Конвейеров Расчет теплопотерь здания Снип водоснабжение Сортамент уголков Схема вентиляции
Кнопка на яндекс-бар

gosthelp.ru - При использовании материала, ссылка на сайт обязательна. (В Интернете - гиперссылка)