Разработка и реализация методов стабилизации слабых
advertisement
Разработка и реализация методов стабилизации слабых грунтов органического происхождения Руководство по проектноконструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов CT97-0351 № проекта: BE 96-3177 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Содержание Общая информация Определения .............. ................................. ................................. ................................. .... 3 ............................ ................................. ................................. ................................. .... 4 Условные обозначения ....... ................................. ................................. ................................. .... 6 1. 1.1 1.2 1.3 Введение .................................... ................................. ................................. ............................ 8 Содержание настоящего Руководства .............. ................................. ................................. ....... 8 Целевая аудитория ........................................... ................................. ................................. ......... 8 Благодарность за сотрудничество ...... ................................. ................................. ..................... 8 2. 2.1 2.2 Принципы глубинной стабилизации ......................... ................................. ............................. 9 Введение .................................... ................................. ................................. .............................. 9 Применяемые материалы ......... ................................. ................................. .............................. 9 2.2.1 Вяжущие материалы в различных типах грунтов .............................. ................................. .... 9 2.2.2 Способы применения различных видов стабилизации ............ ................................. .............. 10 2.2.3 Сравнение с другими методами стабилизации ........................... ................................. .......... 11 2.3 Практическое выполнение стабилизации .................... ................................. ........................... 12 2.4 Свойства стабилизированных слабых грунтов .......... ................................. .............................. 14 2.5 Химическое и механическое взаимодействие между стабилизированным и естественным грунтами ................................................................................................................................................ .... 15 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Примеры конструкций, применяемых для работ по стабилизации ........... ...................... 17 Введение .................................... ................................. ................................. ............................ 17 Примеры насыпей для автомобильных и железных дорог ........... ................................. ......... 17 Склоны ................................. ................................. ................................. ................................. .. 19 Смягчение сейсмического воздействия ................................. ................................. ................... 20 Уменьшение вибрации .......................... ................................. ................................. ................... 21 Другие области применения ......... ................................. ................................. ........................ 22 4. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.8 4.8.1 4.8.2 4.8.3 Методы проектирования ................... ................................. ................................. .................... 23 Требования к проектированию ................. ................................. ................................. .............. 23 Срок службы .............................. ................................. ................................. .............................. 23 Предельные состояния ............ ................................. ................................. .............................. 23 Долговечность ..................... ................................. ................................. ................................. 23 Принципы и концепции проектирвания ...................... ................................. .............................. 24 Предельное состояние по прочности, ULS ................................. ................................. ......... 24 Предельное состояние по эксплуатационной пригодности, SLS ..... ................................ .. 24 Стабилизация колоннами ....................... ................................. ................................. ............... 25 Стабилизация массивом ..................... ................................. ................................. .................... 25 Геотехническая категория ........................... ................................. ................................. ............ 25 Геотехнические исследования........................... ................................. ................................. ..... 25 Нагрузки ............................. ................................. ................................. ................................. .. 25 Характеристические величины для материалов ... ................................. . ................................ ...26 Общая информация ............ ................................. ................................. ................................. .. 26 Прочностные и деформационные свойства грунтов ...................... ................................. .... 26 Удельный вес, прочностные и деформационные свойства стабилизированных грунтов .. 26 Расчетные величины ..................... ................................. ................................. ......................... 26 Общая информация ............ ................................. ................................. ................................. .. 26 Удельный вес стабилизированного грунта ..... ................................. ................................. .... 27 Прочностные и деформационные свойства грунта ............... ................................. ............. 27 Лабораторные испытания ............. ................................. ................................. ...................... 27 Проектно-конструкторские работы ....................... ................................. ................................. .. 27 Общие условия....................................... ................................. ................................. ................... 27 Проектирование в предельном состоянии по прочности ........................ .............................. 27 Проектирование в предельных состояниях по эксплуатационной пригодности .................. 29 5. 5.1 Свойства нестабилизированного грунта ............... ................................. .............................. 35 Введение ..................................... ................................. ................................. ............................ 35 1 5.2 Характеристики участка ..................................... ................................. ................................. ....... 35 6. 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5.4 Свойства стабилизированного грунта................... ................................. ............................... 37 Введение .................................... ................................. ................................. ............................ 37 Общие свойства стабилизированного грунта .................. ................................. ........................ 37 Стабилизированный грунт – исследования в лабораторных условиях .......................... ....... 37 Влияние количества вяжущего материала (лабораторные испытания) ............. ............... 39 Влияние времени выдержки (лабораторные испытания) ...... ................................. ............... 40 Влияние проницаемости (лабораторные испытания) ....... ................................. ................... 40 Влияние предварительной нагрузки ... ................................. ................................. ................. 41 Приемлемость для окружающей среды ............ ................................. ................................. .... 41 Стабилизация в лаборатории по сравнению со стабилизацией в полевых условиях .......... 42 Вяжущие материалы ………………………………………………………………………………........... 42 Типы вяжущих материалов ............ ................................. ................................. ....................... 42 Требования .................................... ................................. ................................. ......................... 44 Выбор вяжущего материала ........... ................................. ................................. ..................... 44 Лабораторные испытания ................ ................................. ................................. ...................... 44 Программа испытаний для составления смеси ..... ................................. ............................... 44 Методика обработки испытательных образцов в лабораторных условиях (стабилизация колоннами) .................................................................................................................... ................... 45 Лабораторная методика работы с испытательными образцами (стабилизация массивом) 49 Методы проведения испытаний ..... ................................. ................................. ..................... 53 Оценка полученных результатов ............................ ................................. ............................... 53 Полевые испытания ................. ................................. ................................. ................................ 56 Разработка программы испытаний ......... ................................. ................................. ........... 56 Методики проведения испытаний .. ................................. ................................. ..................... 57 Порядок отбора образцов, хранения и химического анализа грунта, вяжущего материала и стабилизированного грунта ........................................................................................................ 57 Оценка результатов и рекомендации ........................... ................................. ......................... 59 7. 7.1 7.2 Строительные работы ............... ................................. ................................. ......................... 60 Введение .................................... ................................. ................................. ............................ 60 Подготовка к выполнению работ по стабилизации . ................................. ................................ 60 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 Доступность стабилизируемого участка .................... ................................. ....................... 60 Несущая способность почвы для установки смесительного оборудования ....... ................. 61 Препятствия на, под и над уровнем земли ................................. ................................. ........... 61 Объекты вокруг участка, которые могут быть повреждены в ходе строительных работ ..................................................................................... ................................. ..................... 61 Смешивание грунта ......................... ................................. ................................. ....................... 61 Стандартная смесительная установка и иные требования ......................... ...................... 61 Производство вяжущего материала ......... ................................. ................................. .......... 66 Процесс стабилизации .................................... ................................. ................................. ........ 66 Последовательность смешивания, размещение смесительной установки .. ..................... 68 Скорость выполнения работ ......... ................................. ................................. ..................... 70 Воздействие на соседние конструкции ........... ................................. ................................. .... 70 7.4 7.5 Мониторинг и контрольно-измерительные приборы ................................. ................................ 70 Мероприятия по охране окружающей среды .. ................................. ................................. ......... 71 7.5.1 7.5.2 7.6 7.6.1 7.6.2 Безопасность и здоровье .................... ................................. ................................. .................... 71 Директива EC по грунтовым водам ................ ................................. ................................. ..... 71 Контроль качества ................................. ................................. ................................. ................... 73 Производственные средства контроля ................................ ................................. ................ 73 Испытания после завершения строительных работ ................. ................................. ......... 73 8. Проверка ................................... ................................. ................................. .............................. 76 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 ПРИЛОЖЕНИЕ A Рекомендуемый порядок действий при глубинном смешивании грунта и при смешивании грунта массивом ................................................................................................................. 78 ПРИЛОЖЕНИЕ B Примеры систем мониторинга и выдаваемых ими данных в ходе глубинного смешивания грунтов .................................................................................................................................. 87 ПРИЛОЖЕНИЕ C Пример оценки рисков для глубинной стабилизации грунта .............. ............. 91 Справочная литература ............ ................................. ................................. ................................. .. 94 2 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Общая информация Глубинная стабилизация представляет собой метод стабилизации слабых грунтов путем добавления сухих или влажных вяжущих материалов для ослабления усадки и/или усиления устойчивости насыпей для автомобильных и железных дорог. Грунт под насыпью можно стабилизировать либо путем формирования колонн из стабилизированного грунта (так называемая «стабилизация колоннами»), либо путем стабилизации всего объема грунта (так называемая «стабилизация массивом»). Глубинная стабилизация может применяться для стабилизации различных типов грунтов. В Европе глубинная стабилизация слабых минеральных грунтов при помощи извести и цементных колонн применяется в Швеции и Финляндии уже более 20 лет для уменьшения усадок и усиления устойчивости насыпей. Для стабилизации органических грунтов, таких как органическая глина, сапропель и торф, пришлось выполнить определенные научно-технические работы. Консорциум компаний и организаций из Великобритании, Финляндии, Ирландии, Италии, Нидерландов и Швеции выполнили научно-исследовательскую программу при поддержке Европейского Союза в рамках программы Brite-EuRam 4-й Рамочной программы. Сокращенное наименование проекта – ЕвроСоилСтаб (EuroSoilStab). Полное наименование: Разработка и реализация методов стабилизации слабых грунтов органического происхождения для строительства железнодорожной, автомобильной и иной инфраструктуры. В рамках указанного проекта были проведены полномасштабные испытания в нескольких странах. Были разработаны и реализованы на практике методы стабилизации колоннами и массивами. При этом насыпи создаются поверх стабилизированного грунта, а усадки и деформации контролируются для последующего сопоставления с расчетными значениями. В последующем необходимо будет модернизировать существующее оборудование для того, чтобы использовать его в работе с более широкими и глубокими колоннами. На данных испытательных участках были разработаны и испытаны системы контроля качества. В лабораторных условиях были разработаны и испытаны новые комбинации вяжущих материалов, которые затем использовались для полномасштабных испытаний. Все результаты указанных работ приведены в настоящем Руководстве. Проект EuroSoilStab позволил доказать то, что слабые органические грунты поддаются стабилизации. Органическая глина и сапропель показали хорошие результаты в этой связи. Торф с высоким содержанием воды требует к себе особого внимания. Добавления песка в смесь вяжущих материалов позволяет улучшить полученные результаты. Тип и количество вяжущих материалов можно подбирать на основании информации, приведенной в Руководстве, однако для принятия окончательного решения по всем аспектам стабилизации грунта необходимо выполнить полевые испытания. 3 Определения Определение Описание Вяжущий материал (вещество) Вяжущее вещество цементного типа Вяжущий материал = Стабилизатор = Стабилизирующая добавка Вяжущее вещество представляет собой стабилизирующую добавку, вступающую в химическую реакцию с грунтом и/или грунтовыми водами. Типы вяжущих веществ: цемент, известь, гипс, печной шлак, зольная пыль, торфяная зола, кремнеземная пыль, и иные промышленные отходы. Цемент, известь, гипс, зольная пыль, и иные материалы, используемые для химической стабилизации грунтов Связный грунт Грунт, сохраняющий вязкость в процессе изменения его формы Стабилизация колоннами Метод глубинной стабилизации грунта, осуществляемый посредством формирования колонн из стабилизированного грунта. Такая стабилизация может выполняться с использованием сетки отдельных колонн, наложением колонн для формирования панелей, или, например, пористыми типами конструкций. Колонны до 25 м можно создавать при помощи existing equipment. Глубинная стабилизация грунта Метод стабилизации слабых грунтов (глина, торф или сапропель) путем смешивания грунта с сухим или влажным вяжущим материалом для уменьшения усадки и/или увеличения устойчивости Дозировка Масса стабилизатора в [кг], добавленная в 1 м³ грунта Сухое смешивание Стабилизатор, добавляемый в грунт в сухом состоянии (воздушным путем). Аббревиатура проекта EuroSoilStab. ESS EuroSoilStab Сокращенное наименование Европейского проекта по стабилизации слабых грунтов колоннами или массивами. Полное наименование проекта: Разработка и реализации методов стабилизации слабых грунтов органического происхождения для строительства железнодорожной, автомобильной и иной инфраструктуры (BE 963177). Извлечение смешанных колонн Обсадная труба крупного размера (наиболее предпочтительно использовать составную обсадную трубу) вводится или вбивается в грунт, окружающий колонну из смешанного грунта. Обсадная труба и колонна выводятся на поверхность и укладываются на землю. Колонна извлекается из обсадной трубы или труба разделяется на составные части. Грунт, имеющий высокое содержание органических веществ, сформировавшихся из останков растений и животных и богатых жирами и протеинами. Стабилизация массивом представляет собой метод глубинной стабилизации, благодаря которому вся масса слабого грунта стабилизируется до определенной глубины. Грунт, содержащий органические вещества Сапропель Стабилизация массивом Грунт органического происхождения Торф Грунт, содержащий большое количество органических веществ. Торф формируется из останков растений и богат углеводами, находящихся на различных этапах процесса гумификации. Рекультивация почвы Рекультивация загрязненной почвы, осуществляемая путем снятия загрязненного грунта, очистки грунта, стабилизации грунта для предотвращения миграции загрязняющих веществ, или путем создания природных или геогидрологических барьеров для предотвращения распространения загрязняющих веществ в грунтовый слой или из него. 4 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Стабилизация грунта См.: Глубинная стабилизация грунта Стабилизированный грунт Слабый грунт (глина, торф или сапропель), стабилизированный путем смешивания грунта с сухими Колонна стабилизированного грунта или влажными вяжущими веществами. Колонна слабого стабилизированного грунта. Стабилизатор См.: Вяжущий материал (вещество) Соотношение компонентов стабилизатора Соотношение (м/м) различных компонентов стабилизатора. Стабилизирующее вещество Соотношение вода/стабилизатора См.: Вяжущий материал (вещество) Влажное смешивание Стабилизатор, добавленный в грунт в жидком состоянии (смешанным с водой) Соотношение (м/м) количества воды к количеству стабилизатора 5 Условные обозначения Коэффициент для расчета эффективного сцепления, c'k Перерасход, кН/м2 Характеристический угол внутреннего трения, град. Характеристический угол внутреннего трения в выражении истинного напряжения, град. Удельный вес, кН/м3 Характеристический удельный вес, кН/м3 Частный коэффициент нагрузки Частный коэффициент свойств материала Частный коэффициент, учитывающий в основном погрешность в модели расчета Плотность грунта, кг/м3 Общее нормальное напряжение, кПа Истинное нормальное напряжение, кПа Истинное геостатическое давление, на месте, кПа Давление переуплотнения, кПа Предельное напряжение, кПа Предел прочности колонны, эмпирическая величина, кПа Горизонтальное напряжение на колонны, кПа Предел ползучести колонны, кПа Напряжение сдвига, кПа Прочность на дренированный сдвиг, кПа Прочность на дренированный сдвиг, характеристическая величина, кПа Прочность на сдвиг без дренажа, кПа Прочность на сдвиг без дренажа, характеристическая величина, кПа Площадь поперечного сечения колонны, м2 Отношение общей площади колонны к общей площади армированного грунта Ширина, м Степень сжатия Расстояние между центрами колонн, м Характеристический перехват сцепления в выражении истинного напряжения, кПа Коэффициент уплотнения для горизонтального потока, м2/сек Прочность на сдвиг без дренажа, кПа Характеристический перехват сцепления, кПа Коэффициент уплотнения при горизонтальном потоке и вертикальной деформации, м2/сек Коэффициент уплотнения при вертикальном потоке и вертикальной деформации, м2/сек Диаметр, м Диаметр колонны, м Модуль упругости в колонне, характеристическая величина, кПа Коэффициент пористости Исходный коэффициент пористости Коэффициент запаса прочности при потере стабильности Коэффициент запаса прочности для анализа без дренажа Коэффициент запаса прочности для неармированного грунта Толщина пласта, м Толщина пласта слоя i, м Коэффициент фильтрации, м/сек Коэффициент фильтрации для нестабилизированного грунта, м/сек Коэффициент фильтрации колонны, м/сек Длина дренажа, м Модуль, кПа 6 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Масса, кг Величина модуля Модуль ниже давления переуплотнения, кПа Характеристическая величина модуля сжатия, кПа Модуль сжатия, кПа Модуль сжатия в грунте, кПа Модуль сжатия в колонне, кПа Масса, твердые частицы, кг Отношение воздействия радиуса колонны к радиусу колонны (R/r) Дополнительная нагрузка, кН/м2 Нагрузка, воспринимаемая одной колонной, кН/м2 Максимальная нагрузка, воспринимаемая одной колонной, кН/м2 Нагрузка, воспринимаемая нестабилизированным грунтом, кН/м2 Радиус воздействия колонны, м Радиус колонны, м Усадка колонны, м Усадка нестабилизированного грунта, м Воздействие стабилизации, отношение предела прочности при сдвиге стабилизированного грунта к пределу прочности при сдвиге нестабилизированного грунта Расчетное значение усадки, м Восприимчивость Время уплотнения, сек, год Давление поровой воды, кПа Степень уплотнения Объем, м3 Объемы, м3 Предел текучести, % Естественная влажность, % Глубина ниже исходной поверхности, м Коэффициенты Расчетная величина параметра x Описание указанных параметров приведено в Главе 4 7 1. Введение 1.1 Содержание настоящего Руководства по проектно-конструкторским работам Настоящее Руководство было подготовлено в связи с глубинной стабилизацией слабых грунтов органического происхождения и раскрывает в себе все аспекты применения методов стабилизации колоннами и массивами: - Исследования грунтов на месте и в лабораторных условиях; - Составление смесей из вяжущих материалов; - Выбор методов стабилизации; - Выполнение стабилизации; - Контроль стабилизированного грунта; - Контроль процесса стабилизации. В настоящем Руководстве описаны наилучшие методы работы, по большей части основанные на практическом опыте, приобретенном в ходе выполнения работ на семи испытательных участках Европейского проекта ЕвроСоилСтаб (EuroSoilStab). Данный проект реализовывался в период с февраля 1997 года по сентябрь 2000 года. Указанные испытательные участки располагались в Финляндии (2), Швеции (2), Великобритании (1) и Нидерландах (2). 1.2 Целевая аудитория Настоящее Руководство предназначено для всех сторон, задействованных в глубинной стабилизации грунтов. Заказчик может найти здесь решение для любых своих строительных вопросов и может изучить принципы и методы глубинной стабилизации. Инженер найдет здесь информацию о проектных работах по стабилизации грунтов колоннами или массивами, а также сведения о составлении оптимальных смесей вяжущих материалов. Инженер узнает также, какие исследования грунтов необходимо или будет полезно провести на месте, а какие – в лабораторных условиях для обоснования его проектной работы. Подрядчик найдет здесь информацию об оборудовании, необходимом для эффективной стабилизации грунтов, а также о методах стабилизации и процедурах контроля качества. Отдельная глава Руководства посвящена контрольным мероприятиям и будет полезной для заказчика, инженера и подрядчика. Кроме того, настоящее Руководство может использоваться и в образовательных целях. 1.3 Благодарность за сотрудничество Настоящее Руководство было подготовлено по результатам реализации Европейского проекта EuroSoilStab. Европейское Сообщество профинансировало указанный проект на 50% в соответствии с программой Промышленные технологии и материалы (Industrial & Materials Technologies Programme) (Brite-EuRam III). Оставшаяся часть финансирования была получена от наших партнеров по проекту: - Управление общественных сооружений г. Хельсинки - Геотехническое подразделение Управления операций с недвижимостью г. Хельсинки - Junttan Oy - Корпорация Partek Nordkalk - Viatek Ltd. - Building Research Establishment - Keller Limited - Trinity College Dublin Department of Civil, Structural & Environmental Engineering - Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Marittima e Geotechnica - CUR, Центр исследований в области гражданского строительства и разработки стандартов - GeoDelft - Fugro Ingenieursbureau BV - Nederhorst Grondtechniek BV (сейчас: HGB Civiel Grondtechniek) - NS Railinfrabeheer Projectorganisatie HSL-Zuid Infra - Главное управление общественных сооружений и водопользования Rijkswaterstaat - Инженерно-геологический институт Швеции - Stabilator (сейчас: Skanska Grundlägging) Все партнеры выражают свою благодарность Европейскому Сообществу за оказанную финансовую поддержку. Они также выражают признательность друг другу за эффективное и плодотворное сотрудничество. 8 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 2. Принципы глубинной стабилизации 2.1 Введение Глубинная стабилизация представляет собой метод стабилизации мягких грунтов путем добавления сухих или влажных вяжущих материалов для уменьшения усадки и/или для повышения их стабильности. Грунт можно стабилизировать либо путем формирования колонн стабилизированного грунта (так называемая «стабилизация колоннами») или путем стабилизации всего объема грунта (так называемая «стабилизация массивами»). Однако, указанные методы стабилизации могут успешно сочетаться между собой, как это показано на рисунке 2.1. При наличии современного оборудования грунт можно стабилизировать на глубину около 25 метров с использованием стабилизации колоннами, при этом стабилизация массивами может выполняться на глубину до 5 метров. Насыпь Грунт, стабилизированный массивом Колонны Твердое дно Рис. 2.1. Схематическое изображение структуры, объединяющей в себе стабилизацию колоннами и массивом. Основные цели глубинной стабилизации грунтов: a) Увеличение прочности слабого грунта для: - Увеличения стабильности насыпи - Увеличения несущей способности - Уменьшение количества активных нагрузок на сдерживающие стены - Предотвращение разжижения b) Укрепление деформационных свойств слабого грунта с целью (статические нагрузки) уменьшения усадки для: - Сокращения времени на усадку - Уменьшения горизонтальных смещений c) Увеличение динамической жесткости слабого грунта для: - Уменьшения передачи вибрации на окружающие участки и сооружения - Улучшения динамических характеристик d) Очистка загрязненной почвы (грунта) посредством: - Создания природного барьера (уплотнение) - Стабилизации загрязненной почвы - Создания геогидрологического барьера 2.2 Применяемые материалы 2.2.1 Вяжущие материалы в различных типах грунтов Глубокая стабилизация может применяться для стабилизации различных типов слабых грунтов, таких как глина, сапропель и торф. Однако, геотехнические и химические свойства грунта, подлежащего стабилизации, обязательно скажутся на результатах стабилизации и на выборе соответствующего вяжущего материала. 9 Вяжущий материал может быть заведен либо «влажным методом», когда используется жидкая смесь вяжущего вещества и воды, либо «сухим методом», когда сухой порошок вступает в химическую реакцию с поровой водой в процессе выдержки. Таким образом, сухой метод позволяет уменьшить содержание воды в грунте. В настоящее время широко применяются двухкомпонентные смеси вяжущих веществ, однако трехкомпонентные смеси более универсальны и в большинстве случаев оказываются еще и более эффективными. Основными компонентами смесей являются известь, цементы, доменный шлак и гипс. Что касается использования промышленных отходов, то в определенных случаях может применяться высококачественная зольная пыль, особенно при стабилизации торфяников. 2.2.2 Способы применения различных видов стабилизации Стабилизация массивом и колоннами может применяться множеством различных способов. На Рис. 2.2 приведено несколько примеров конфигурации колонн. На Рис. 2.3 показаны некоторые рекомендуемые конфигурации для комбинированной стабилизации колоннами и массивом. Одинарный Блоки Панели Стабилизированная сетка Рис. 2.2a. Примеры расположения колонн. F i g u Изменение глубины и плотности Стабилизация колоннами под насыпью r e 2 . Переходная зона Наклонная стабилизация 2 Рис. 2.2b. Примеры расположения колонн. Рис. 2.2. Примеры конфигураций при стабилизации колоннами. 10 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Насыпь со стабилизацией массивом и колоннами Трубопровод со стабилизацией массивом и колоннами Рис. 2.3. Основные виды применения комбинированной стабилизации колоннами и массивом. 2.2.3 Сравнение с другими методами стабилизации Основными преимуществами глубинной стабилизации являются: - Экономичность - Гибкость - Экономия материалов и энергоносителей - Быстрота - Легкость соединения с другими структурами и с окружающими грунтами (отсутствует разрушающая разница в усадках) - Гибкие инженерные свойства грунта На Рис. 2.4 показана рекультивация грунта с использованием глубинной стабилизации, а также сопоставление некоторых альтернативных методов с указанием их сравнительных достоинств и недостатков. 11 Другие методы в сравнении с глубинной стабилизацией Вертикальные дрены - менее затратный - требует больших затрат времени - увеличенный расход грунтовых масс - недостаточная устойчивость - значительные усадки в ходе эксплуатации объекта Забивка свай Плюсы: - Экономичность - Гибкость - Экономия материалов и энергоносителей - Использование свойств грунта, имеющегося на участке - Грунт остается на месте. Нулевая выработка грунта. Нет необходимости в перемещении природного грунта в другое место Минусы: - не подходит для высоких насыпей - ограниченные возможности для повышения устойчивости высоких насыпей - не подходит для грунтов, слабо поддающихся стабилизации - необходимо время для Взаимозамещение масс - более затратный - усадки значительно отличаются от осадок окружающего грунта - более быстрый - зачастую фундамент находится заметно глубже - расходы зависят от ситуации - значительно больший расход грунтовых масс - повышенный риск разрушения - большее влияние на Уменьшение веса насыпи (может сочетаться с глубинной стабилизацией) окружающую среду - зачастую более затратный выдержки - максимальные глубины: при стабилизации массивами ≤ 5,0 метров, колоннами ≤ 40,0 метров Рис. 2.4. Глубинная стабилизация по сравнению с некоторыми другими методами. 2.3 Практическое выполнение стабилизации Для глубинной стабилизации производится механическое смешивание вяжущего материала с грунтом при помощи смесителя, имеющего входное отверстие для подачи вяжущего материала. Смеситель соединен со вращающейся буровой трубой машины для глубинной стабилизации. Существуют различные типы смесителей, обычно они имеют диаметр 0,5 - 0,8 метра. Стандартное оборудование для стабилизации колоннами показано на Рис. 2.5. Например, в случае выбора «сухого метода» стабилизации колоннами процесс обычно начинается с введения вращающегося вала и смесителя на заданную глубину. После этого смеситель поднимается при одновременной подаче вяжущего вещества. В результате формируется колонна стабилизированного грунта с круглым сечением. С использованием имеющегося на сегодняшний день оборудования максимальная длина колонны может составлять не более 40 метров. 12 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Рис. 2.5. Стандартное оборудование для стабилизации колоннами. Глубина 15-24 м (макс.), скорость вращения 100-200 об./мин., подъем вращающегося инструмента 10-25 мм/об. Машины для стабилизации массивом значительно отличаются от машин для стабилизации колоннами. Как правило, машина для стабилизации массивом представляет собой обычный экскаватор, оборудованный миксером для стабилизации массивом. Вяжущий материал подается в смеситель, в то время как миксер вращается и одновременно перемещается по вертикали и по горизонтали. На рис. 2.6 показаны два различных типа применения технологии стабилизации массивом. Стабилизация массивом может также производиться с использованием оборудования для стабилизации колоннами, при этом создается перекрытие колонн. С экологической точки зрения, стабилизация колоннами и массивом оказывают лишь незначительное отрицательное воздействие. Вибрация и шум достаточно низкие. Вымывание и перенос опасных веществ из-за вяжущих материалов будут незначительными. Емкость стабилизатора + весы Экскаватор Смеситель Торф, шлам или мягкая глина, стабилизированные массивом Торф, шлам, мягкая глина Направление стабилизации массивом Геотекстиль (армирование) Насыпь для предварительной нагрузки (h~1.0 м) ТИП A 13 Стабилизированный участок ТИП B Рис. 2.6. Технология стабилизации массивом 2.4 Свойства стабилизированных слабых грунтов В результате стабилизации химические и физические свойства глины, сапропеля и торфа существенно меняются. pH-значение стабилизированного грунта быстро поднимается до 11 – 12 и начинается схватывание. В зависимости от типа вяжущего материала некоторые химические реакции будут протекать достаточно быстро (в течение первого месяца), однако некоторые реакции будут протекать медленнее; и для их завершения могут потребоваться месяцы или даже годы. Прочность стабилизированного грунта зависит от типа и количества вяжущего материала, а также от свойств естественного грунта. Кроме того, однородность смешивания оказывает прямое влияние на конечную прочность. Однако, предел прочности стабилизированного грунта при сдвиге без дренажа обычно находится в диапазоне 50 – 150 кПа. Следует отметить, что образцы стабилизированного грунта, созданные в лаборатории, могут обладать пределом прочности при сдвиге без дренажа, равной нескольким сотням кПа, однако такие высокие значения достигаются довольно редко. Отношение между временем схватывания и прочностью стабилизированного грунта имеет огромную важность, поскольку оно определяет допустимую степень нагрузки. Это отношение зависит от типа грунта и типа вяжущего материала. Тем не менее, при использовании одного цемента прочность будет развиваться в течение первого месяца после стабилизации. При использовании вяжущих материалов, включая известь, гипс, печного шлака и/или золы, прочность будет увеличиваться даже по истечении первого месяца. Таким образом, оптимизировать сроки строительства поможет только тщательное изучение грунтовых условий, что схематически показано на рис. 2.7: Рис. 2.7. Оптимизация времени схватывания и нагрузки на насыпь. Условные обозначения на рисунке: τcol = предел прочности колонн при сдвиге q0 = давление нагрузки/пласта при предварительном уплотнении q2 = давление нагрузки/пласта полученной структуры 14 f = F = коэффициент запаса прочности для стабильности q1 = давление нагрузки/пласта насыпи t = время Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 2.5 Химическое и механическое взаимодействие между стабилизированным и естественным грунтами При смешивании вяжущего материала с грунтом химические реакции начинаются немедленно. Если используется цемент, между гранулами грунта формируется стабилизирующий гель благодаря пуццолановым реакциям. При этом необходимо применять высокооднородное смешивание, поскольку цемент, в отличие от извести, не диффундирует. При использовании распыляемых вяжущих материалов на основе извести реакции в грунте протекают в течение нескольких месяцев: - Содержание воды в грунте уменьшается, поскольку вода расходуется в процессе химических реакций; - Известь вступает в реакцию с глинистыми минералами; - Ионы кальция диффундируют из зон с высокой концентрацией вяжущего материала как в стабилизированный объем, так и в соседние зоны, изначально не принимавшие участия в смешивании. Как следствие, однородность и прочность стабилизированного объема существенно увеличиваются. Геомеханические свойства стабилизированного материала в большой степени зависят от типа вяжущего материала. Как правило, прочность и хрупкость стабилизированного грунта увеличиваются по мере увеличения содержания цемента. С другой стороны, вязкость увеличивается с увеличением содержания извести. Типовые зависимости «напряжение-деформация» для различных стабилизированных грунтов с применением различных типов вяжущих материалов показаны на рис. 2.8. Девиаторное напряжение (кПа) Деформация (%) a. Напряжение-деформация стабилизированного торфа Девиаторное напряжение (кПа) Деформация [%] b. Напряжение-деформация стабилизированного сапропеля Рис. 2.8. Кривые зависимости «напряжение-деформация» для стабилизированного грунта Рис. 2.8.a. Примеры приведены для торфа, взятого из Кивикко (Хельсинки, Финляндия), и для сапропеля, взятого из Порву (P-; Финляндия) и Энангера (E-; Швеция). Рис. 2.8 b. Условные обозначения вяжущих материалов: L=известь, C=цемент, F=гипс Finnstabi©, M=доменный шлак, H = финская зольная пыль, и V= шведская зольная пыль. Числа обозначают пропорции компонентов. Испытания были проведены в 1997 г. 15 Базовая концепция разработки глубинной стабилизации заключается в производстве стабилизированного грунта, который механически взаимодействует с окружающим нестабилизированным грунтом. Прилагаемая нагрузка частично воспринимается колоннами, а частично – нестабилизированным грунтом между колоннами. Таким образом, слишком жестко стабилизированный материал необязательно будет наилучшим решением, поскольку такой материал будет выступать в роли сваи. Вместо этого, повышенная жесткость и прочность стабилизированного грунта не должны препятствовать эффективному взаимодействию и распределению нагрузки между стабилизированным и естественным грунтом. Данная концепция схематически показана на рис. 2.9. колонна естественный грунт Рис. 2.9. Геомеханическая концепция глубинной стабилизации. 16 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 3. Примеры конструкций, применяемых для работ по стабилизации 3.1 Введение В предыдущей главе приведена общая информация о принципах глубинной стабилизации. В настоящей главе описаны ситуации, в которых применяется стабилизация грунтов. Для первых трех областей применения примеры будут приведены в следующих пунктах. 3.2 Примеры насыпей для автомобильных и железных дорог Глубинная стабилизация грунтов широко применяется при создании оснований для насыпей автомобильных и железных дорог. Для высокоскоростной железнодорожной линии в Нидерландах была разработана альтернативная конструкция с применением глубинной стабилизации грунта. Такая конструкция была испытана на специальном полигоне. Насыпи для такого основания железнодорожной системы создаются на 9 метрах сильно сжимаемого грунта. Такой грунт состоит из органической глины и торфа. Сжимаемые слои лежат на жестком и несущем слое песка. Испытательная насыпь имеет завышенную и заниженную части. Завышенная часть имеет высоту 5 метров, а заниженная - 1 метр. Завышенная часть насыпи заканчивается на воображаемом основании свайного моста. В системе подземной части сооружения конструкторы предусмотрели переходную зону для контроля неравномерности осадки конструкции и насыпи. Основание насыпи включает в себя отдельно стоящие колонны стабилизированного грунта и панели для завышенной части, и комбинацию стабилизации массивом в верхней части отдельно стоящих колонн для заниженной части. Стабилизация массивом (выполняется в виде перехлестывающихся коротких колонн) была выполнена на глубину 2 метра. Колонны были выполнены до несущего песчаного слоя: конец колонны зафиксирован. Колонны имеют диаметр 600 мм и установлены в форме квадрата. Расстояние от центра до центра варьируется от 1,0 метра для завышенной части насыпи около воображаемого моста и до 1,6 метра под грунтом, стабилизированным массивом, для заниженной части насыпи. На рис. 3.1 показана горизонтальная проекция и поперечное сечение завышенной и заниженной частей насыпи. HW2, завышенная насыпь, поперечное сечение Приложение 2.2 Рис. 3.1. Горизонтальная проекция и поперечное сечение завышенной и заниженной насыпей на высокоскоростной железнодорожной линии в Нидерландах. 17 Метод глубинной стабилизации грунта может быть разработан в соответствии со спецификациями, отражающими общую и неравномерную осадку в точке соединения моста и примыкающих насыпей, а также отражающими грунтовые условия, как показано на рис. 3.2 ниже. В некоторых случаях уменьшения стабилизируемых объемов можно достигнуть при помощи колонн различной длины. В частности, этот метод можно применять в тех случаях, когда свойства грунта улучшаются по мере увеличения глубины. ДОРОЖНЫЙ ПРОФИЛЬ Рис. 3.2. Глубинная стабилизация грунта для моста и примыкающих насыпей в Швеции. 18 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Стабилизация массивом обычно применяется для стабилизации очень слабых грунтов, в частности торфа. Общий объем грунта смешивается в горизонтальном и вертикальном направлениях. Стабилизированный блок будет намного жестче, чем исходный грунт, и не только позволит уменьшить осадку, но и повысит устойчивость грунта. На рис. 3.3 показано типовое поперечное сечение. Данный вид стабилизации можно применять при ограниченной глубине (< 5 м) слоев с достаточной несущей способностью. Геотекстиль Насыпь Песок/Морена Торф/глина, стабилизированные массивом Рис. 3.3. Типовое поперечное сечение стабилизации массивом для насыпи. 3.3 Склоны Другой вид применения глубинной стабилизации грунтов – это стабилизация склонов. Склоны можно стабилизировать при помощи панелей, сетки панелей или стабилизацией массивом. Конструкция должна выдерживать все нагрузки, воздействующие на стабилизированный участок. В ходе строительства особое внимание следует уделить поровым давлениям и смещениям из-за неустойчивого характера участка. Пример показан на рисунках 3.4 и 3.5. Пример стабилизированного среза показан на рис. 3.6. Щебень на геотекстильной подложке Сваи насыпи Известково-цементные колонны (панели) Рис. 3.4. Стабилизированный склон в Агнесберге, Швеция. 19 Уровень почвы до оползня Уровень почвы после оползня Река Троса Сухая кора Ил Глина Моренам ИЦ колонны (панели) Рис. 3.5. Стабилизированный наклон рядом с р. Троса, Швеция. Коровник Коровник «Мертвая зона» Вспомогательные ребра жесткости Основные ребра жесткости, c/c 4.0 м Рис. 3.6. Пример стабилизированного среза. 3.4 Смягчение сейсмического воздействия На рис. 3.7 показан пример панелей из колонн для предотвращения разжижения грунта в Калифорнии, США. Это не касается органических грунтов, но имеет прямое отношение к илу и илистым пескам. На участках с повышенной сейсмической активностью стабилизация грунта может использоваться для предотвращения его разжижения. Основной целью такой стабилизации является уменьшение поровых давлений воды или увеличение предела прочности при сдвиге грунтов, которые имеют тенденцию к разжижению. 20 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Схема размещения колонн для дренажной штольни в Колма Крик Рис. 3.7. Пример размещения панелей для предотвращения разжижения грунта в Калифорнии, США. 3.5 Уменьшение вибрации Стабилизация грунтов может также использоваться в тех случаях, когда необходимо уменьшить вибрации. Вибрации могут возникать, например, в районе железнодорожных линий, автодорог с интенсивным движением или строительных площадок. При строительстве высокоскоростных железнодорожных линий на слабых грунтах особое внимание следует уделить распространению ударных волн в надстройке и основании железнодорожной такой системы. Стабилизация грунтов может применяться для достижения высокой динамической эффективности железнодорожной системы, рис. 3.8. На рис. 3.9 показано применение высокоскоростной линии в Швеции. Без БЛОКА ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ С БЛОКОМ ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Колебания Механическая вибрация Контроль колебаний Вибрация от движения транспорта Передача волн Волновое сопротивление Рис. 3.8. Метод использования блока волнового сопротивления для уменьшения вибрации. 21 Рис. 3.9. Пример глубинной стабилизации для высокоскоростной ж/д линии 3.6 Другие области применения Глубинная стабилизация грунта может применяться также для производства следующих работ: - Основания для зданий и мостов; - Изоляция загрязненных грунтов; - Защита прилегающих и соседних конструкций; - Уменьшение давления грунта; - Стабилизация очень слабых грунтов при проходке туннелей. Благодаря наращиваемому опыту и полученным результатам исследовательских программ и разработки новых образцов оборудования стабилизация грунтов приобретает все новые и новые области применения. 22 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 4. Методы проектирования 4.1 Требования к проектированию Стабилизацию грунтов следует проектировать и выполнять так, чтобы в процессе стабилизации грунт оставался пригодным для того вида применения, для которого он предназначен, и выдерживал бы все виды воздействия, которые могут возникнуть на участке стабилизации. Проводить ее следует до необходимой степени надежности и экономически выгодными способами. Для этого необходимо обеспечить, чтобы стабилизированный грунт отвечал самым высоким требованиям к прочности и эксплуатационной надежности. Требования к прочности, надежности и сроку службы должны быть указаны заказчиком. Проектирование следует производить в соответствии с требованиями Евростандарта 7 или государственных стандартов. Метод проектирования, приведенный в настоящем документе, основан на предыдущем издании Евростандарта 7, ENV 1997-1. Согласно концепции Евростандарта по грунтовым параметрам, особо выделяются следующие величины: - Измеренные величины - Полученные величины - Характеристические величины - Расчетные величины Полученная величина – это значение грунтового параметра, полученное по теории, корреляции или эмпирически по результатам тестовых замеров. Характеристическая величина определяется на основании полученных величин для всестороннего расчета величины, обуславливающей достижение предельного состояния. Данная терминология будет использоваться в следующем разделе настоящего Руководства по проектно-конструкторским работам. Определение полученных и характеристических величин должно соответствовать принципам Евростандарта, при одновременном соблюдении ограничений, применяемых к характеристическим величинам некоторых параметров, рекомендованных в настоящем Руководстве по проектноконструкторским работам. 4.1.1 Срок службы Расчетный срок службы указывается в строительных технических условиях (см. Евростандарт 7 и национальное законодательство). 4.1.2 Предельные состояния Проектирование стабилизации грунтов следует выполнять в соответствии с максимальными и эксплуатационными предельными состояниями. Для соблюдения требований, предъявляемых к предельному состоянию по прочности (ULS) проектирование стабилизации грунта следует осуществлять так, чтобы оставалась лишь незначительная вероятность разрушения поддерживаемой конструкции. Сюда входит разрушение изза предыдущей избыточной деформации в грунте, опасность для людей или вероятность серьезного экономического ущерба. Стабилизация колоннами и массивом предназначена для придания конструкции или насыпи и их ближайшему окружению удовлетворительного суммарного запаса устойчивости, чтобы такая конструкция или ее часть не подвергались воздействию сильных деформаций (см. Евростандарт 7 и национальное законодательство). Как было сказано выше, метод проектирования, приведенный в настоящем Руководстве, основан на предыдущем издании Евростандарта 7, ENV 1997-1. Это издание EC 7 предполагает необходимость рассмотрения трех проектных ситуаций для анализа ULS, то есть Ситуации A, B и C. Ситуация A в основном касается проблем с выталкивающей силой и должна рассматриваться в тех случаях, когда она применима в определенной проектной ситуации. Общая область применения данной Ситуации A не будет рассматриваться в настоящем Руководстве. Ситуация B касается прочности конструкционных элементов и поэтому не применяется к стабилизации грунтов как таковой. Ситуация B также не рассматривается в настоящем Руководстве несмотря на то, что стабилизация грунтов может сопровождаться взаимодействием с какими-либо конструкциями, когда их прочность обязательно следует учитывать. Ситуация C определяет запас безопасности при разрушении грунта и напрямую связана с анализом предельных состояний стабилизированного грунта. В связи с этим, оставшаяся часть Руководства будет посвящена исключительно данной Ситуации C. Для соблюдения требований, предъявляемых к предельному состоянию по эксплуатационной пригодности (SLS), стабилизация колоннами и массивом, включая переходные зоны нестабилизированных насыпей должны проектироваться так, чтобы общая и неравномерная усадка вдоль и поперек поверхности дороги удовлетворяли бы требованиям Евростандарта 7 или национального законодательства. SLS должно учитывать долгосрочные деформационные смещения. 4.1.3 Долговечность Выбор характеристических материальных величин должен учитывать долговечность глубинной стабилизации. 23 4.2 Принципы и концепции проектирования Проектирование следует выполнять для наиболее неблагоприятного сочетания воздействия нагрузок и несущей способности, возникновение которых возможно в процессе строительства и эксплуатации. Расчетные модели основаны на предположении наличия взаимодействия между колоннами и нестабилизированным грунтом, то есть они должны действовать только для полужестких колонн с максимальным пределом прочности при сдвиге, равным 150 кПа. Проектирование этапа предварительной нагрузки выполняется на основании характеристических величин. Применение метода наблюдений, например, за отклонениями от расчетных осадок, дает основу для принятия решения о возможности устранения временной перегрузки (см. рис. 4.1), должна ли быть увеличена такая перегрузка или необходимо ли увеличить период предварительной нагрузки. Такие расчеты должны основываться на величине прочности колонн, полученной в результате полевых испытаний. Коэфф. безопасности Предел прочности колонны при сдвиге q q общий перегрузка дор. движение q известково-цементная конструкция период строительства полезный срок службы Рис. 4.1. Предварительная нагрузка путем перегрузки 4.2.1 Предельное состояние по прочности, ULS Механизмы ULS следует использовать так, чтобы при проектировании колонн стабилизированного грунта учитывалось бы разрушение самой колонны, а также общее разрушение всех колонн и необработанного грунта. Расчетные параметры ULS должны основываться на характеристических величинах, разделенных на соответствующий частичный коэффициент. Евростандарт допускает использование частичных коэффициентов, величина которых для определенных временных условий будет ниже величин, приведенных в EC 7. В настоящем Руководстве приведены рекомендации по соответствующим частичным коэффициентам, которые следует использовать при таких условиях в ходе проектирования стабилизации грунта. 4.2.2 Предельное состояние по эксплуатационной пригодности, SLS Расчеты SLS выполняются с использованием характеристических величин параметров. Расчеты усадки основываются также на таком предположении, что распределение нагрузки между колонами и нестабилизированным грунтом будет происходить при одинаковом сжатии в колоннах и в нестабилизированном грунте на каждом уровне. Глубинная стабилизация должна производиться в сочетании с предварительной нагрузкой, включая временную перегрузку. Цель перегрузки заключается в уплотнении грунта для нагрузки, превышающей эксплуатационную. Перегрузка должна рассчитываться так, чтобы ее части можно было снять в 24 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов завершении периода предварительной нагрузки. Это позволит уменьшить или полностью предотвратить будущие осадочные деформации. В ходе проектирования предполагается выполнение расчета усадки. Такой расчет является основой для прогнозирования осадок на этапе строительства и эксплуатации, соответственно. Тщательный контроль (например, усадки, поровые давления) на этапе строительства имеет огромное значение для проверки поведения грунтов. Метод глубинной стабилизации следует применять в активной фазе проектирования (метод наблюдений). 4.2.3 Стабилизация колоннами Термин «полужесткая колонна» относится к колоннам с максимальным характеристическим пределом прочности при сдвиге, равным 150 кПа. Расчетные модели, представленные в настоящем Руководстве, предполагают взаимодействие между колоннами и нестабилизированным грунтом. Полное взаимодействие между колоннами и промежуточным нестабилизированным грунтом может произойти в том случае, если отсутствуют исходные стандартные смещения в естественном грунте, на котором будет возведена конструкция. Автодорожные и железнодорожные насыпи зачастую стабилизируются отдельно стоящими (изолированными) колоннами по квадратной сетке. При средней величине предела прочности при сдвиге, стабильность можно рассчитать для цилиндрических поверхностей оползания. Это можно сделать при том условии, что такие колонны будут нагружены вдоль оси (если мы говорим о активной части поверхности оползания), и что максимальная характеристическая величина предела прочности колонн при сдвиге без дренажа (cuk) будет равна 100 кПа (при благоприятных условиях 150 кПа, см. 4.8.2). Однако, при гетерогенной стратиграфической последовательности, плоская и композитная поверхности оползания могут стать критерием для расчетов. Отдельно стоящие колонны не следует использовать в зоне прямого сдвига и в пассивной зоне, поскольку их взаимодействие с нестабилизированным грунтом невозможно предусмотреть. Для того, чтобы предусмотреть взаимодействие в зоне прямого сдвига и в пассивной зоне колонны устанавливаются панелями, сетками или блоками. Стабильность всегда рассчитывается по комбинированному анализу и бездренажному анализу. Комбинированный анализ предполагает то, что наименьшее значение предела прочности при дренированном или бездренажном сдвиге выбирается для каждого участка поверхности оползания, см. 4.8.2. Максимальная характеристическая величина предела прочности при бездренажном сдвиге (cuk) колонн устанавливается равной 150 кПа независимо от возможных более высоких значений, полученных в лабораторных или полевых условиях. Помните о том, что в большинстве случаев в полевых условиях очень сложно получить такие же высокие значения, какие были получены в лабораторных условиях. В целях расчета стабилизации (см. 4.8), cuk в некоторых случаях ограничивается значением 100 кПа. 4.2.4 Стабилизация массивом В целях выполнения расчета грунт, стабилизированный массивом, предполагается однородным упругопластическим слоем грунта. В проекте необходимо учитывать погрешности, возникающие в результате смешивания и гомогенизации стабилизированных грунтов. Помните о том, что в большинстве случаев в полевых условиях очень сложно получить такие же высокие значения, какие были получены в лабораторных условиях. 4.3 Геотехническая категория Стабилизация колоннами GC3 производится в Геотехнической категории 3 (см. Евростандарт 7 и национальное законодательство). 4.4 Геотехнические исследования Полевые и лабораторные исследования должны предоставить следующую информацию: Последовательность слоев грунта и их свойства; Гидрогеологические условия; Наличие органического грунта, сульфидов в грунте и pH; Состав, толщина, плотность поверхностного слоя грунта, корни деревьев, наполнение, и т.д.; Наличие стационарных препятствий для размещения колонн (например, подземный трубопровод, кабели и ЛЭП); Свойства грунта после смешивания с вяжущим материалом. Испытания на смешивание выполняются в характеристических слоях грунта, см. 6.4. 4.5 Нагрузки Нагрузки указываются заказчиком (см. Евростандарт 7 и национальное законодательство). Расчет устойчивости в ходе строительства (строительство насыпи) зачастую позволяет получить наименьший коэффициент безопасности. Интенсивность дорожного движения в ходе строительства можно ограничить соглашением с заказчиком. Такие ограничения должны быть указаны в строительных технических условиях. 25 4.6 Характеристические величины для материалов 4.6.1 Общая информация Характеристические величины должны быть указаны в строительных технических условиях и выбираются в зависимости от условий проектирования. Грунты вступают в различные химические реакции до достижения химической устойчивости. Испытания на смешивание в лабораторных условиях показывают, можно ли стабилизировать тот или иной грунт. Эффект стабилизации в полевых условиях может существенно отличаться от результатов, полученных в лабораторных условиях. 4.6.2 Прочностные и деформационные свойства грунтов Свойства грунтов определяются по результатам исследований в лабораторных и/или полевых условиях. Лабораторные испытания, полевые испытания и параметры нестабилизированного грунта описаны в Главе 5. 4.6.3 Удельный вес, прочностные и деформационные свойства стабилизированных грунтов Характеристические величины свойств стабилизированного грунта по большей части основываются на результатах полевых испытаний испытательных колонн и/или испытательных панелей. Характеристические величины свойств колонн и свойства стабилизации массивом также могут основываться на результатах лабораторных испытаний, проведенных над образцами, смешанными в лабораторных условиях. Характеристические величины, основанные на лабораторных смешанных образцах, должны учитывать разницу между прочностями в лабораторных и полевых условиях. Порядок выполнения лабораторных испытаний см. 6.4. gk - характеристический удельный вес стабилизированных колонн, принимается равным удельному весу нестабилизированного грунта. gk при стабилизации массивом берется по результатам лабораторных испытаний, проведенных над образцами, смешанными в лабораторных условиях. cuk – характеристическая величина предела прочности при сдвиге без дренажа, берется в основном на основании результатов полевых испытаний пробной стабилизации, или, если применимо, на результатах испытаний на неограниченное сжатие, проведенных над образцами, смешанными в лаборатории, и учитывающих разницу прочностей между образцами, смешанных в лаборатории, и полевыми колоннами. Однако максимальная величина cuk в стабилизированных колоннах составляет 150 кПа независимо от результатов лабораторных и полевых испытаний. Из-за погрешностей в смешивании и неравномерного распределения вяжущего материала при стабилизации массивом характеристическую величину предела прочности при сдвиге без дренажа при стабилизации массивом следует определять очень внимательно. Ek - характеристическая величина модуля Юнга в известково-цементных колоннах, берется равной 50-100 cuk. Данная величина для органического грунта составляет примерно 50 cuk, а для илистых глин – примерно 100 cuk. Колонны с иными вяжущими материалами могут быть жестче, поэтому для них Ek принимается равной 50-150 cuk. При стабилизации массивом Mk, характеристическая величина модуля сжатия (компрессионный модуль деформации с ограниченным сжатием) принимается равной 50-100 cuk. Данная величина для органического грунта составляет примерно 50 cuk, а для илистых глин – примерно 100 cuk. Стабилизации с иными вяжущими материалами могут быть жестче, поэтому для них Mk принимается равной 50-150 cuk. Как было сказано выше, очень важно сделать некоторый прогноз размеров и степени усадки в период предварительной нагрузки. На сегодняшний день колонны обычно считаются дренами, поскольку проницаемость колонн выше, чем проницаемость исходного грунта. В инженерно-техническом подходе данная теория учитывает также увеличение прочности в колоннах с течением времени и под воздействием нагрузки. Для расчета степени усадки проницаемость органического грунта, стабилизированного известью, может приниматься примерно в 1000 раз выше, чем проницаемость нестабилизированной глины. В данном расчете проницаемость грунта, стабилизированного иными вяжущими материалами (например, известь/цемент) может приниматься в 200-600 раз больше, чем проницаемость нестабилизированного грунта. Очень сложно заранее определить проницаемость стабилизированного грунта, поэтому результаты расчетов степени усадки не могут даваться в виде точных значений, а только в виде интервалов. 4.7 Расчетные величины 4.7.1 Общая информация Частные коэффициенты, применяемые к характеристической величине ULS, зависят от конкретных расчетных условий. Частные коэффициенты, применяемые к готовой конструкции, должны соответствовать значениям, указанным в Евростандарте 7 или национальном законодательстве, или определенным на основании особых исследований и указанным в строительных технических условиях. Наименьшие частные коэффициенты, как рекомендовано ниже, могут использоваться для некоторых временных проектных ситуаций. 26 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 4.7.2 Удельный вес стабилизированного грунта Расчетные значения соответствуют характеристическим величинам, указанным в п. 4.6. 4.7.3 Прочностные и деформационные свойства грунта Параметры нестабилизированного грунта приведены в п. 5. При расчете предельного состояния по потере несущей способности величина gm для прочностных параметров берутся из Евростандарта 7 или национального законодательства. При расчете предельного состояния по эксплуатационной пригодности усадки рассчитываются с применением характеристических величин согласно Евростандарту 7 или национальному законодательству. Общие и дифференциальные усадки затем уточняются с учетом погрешности в расчетных значениях. Здесь следует отметить, что стабилизация колоннами и стабилизация массивом часто сочетаются с применением предварительной нагрузки, и что основная или вся площадь усадки приходится на период строительства. Расчетные значения следует получать на основании полевых испытаний. Расчетные значения, полученные на основании образцов, смешанных в лабораторных условиях, должны учитывать разницу между прочностями, рассчитанными в лабораторных и полевых условиях. Помните о том, что в расчетной модели, приведенной ниже, не учитывается тот факт, что максимальный предел прочности при сдвиге без дренажа не учитывается на существующих уровнях низкого напряжения при стабилизации колоннами. 4.7.4 Лабораторные испытания Испытания на смешивание выполняются в отношении характеристического пласта грунта. Для получения основы для определения количества вяжущего материала, необходимого для успешной стабилизации, в лаборатории обычно испытываются несколько смесей. Лабораторные испытания, полевые испытания и параметры стабилизированного грунта приведены в п. 6. 4.8 Проектно-конструкторские работы 4.8.1 Общие условия Методы расчетов, которые были признаны надежными для неорганических грунтов и для органических грунтов в EC-проекте «EuroSoilStab», приведены ниже вместе с известными в настоящий момент изменениями. Автодорожные и железнодорожные насыпи должны соответствовать требованиям, указанным в Евростандарт 7 или национальном законодательстве. Расчетные модели, приведенные в настоящем Руководстве, предполагают взаимодействие между колоннами и нестабилизированным грунтом, см. 4.2.3. Ограничение характеристической величины предела прочности при сдвиге без дренажа cuk приведено в п.п. 4.2.3. Колонны стабилизированного грунта всегда будут неоднородными до определенной степени, с нерегулярной структурой и свойствами, варьирующимися в различных направлениях. Такие колонны чаще всего имеют тенденцию к взаимодействию с грунтом при осевой загрузке колонн. В других ситуациях, когда присутствует нагрузка, предел прочности колонн при сдвиге может быть ниже, чем такой же предел прочности при осевой нагрузке. Следует избегать применения колонн, подвергающихся растягивающему напряжению. Рекомендуется брать наименьшие значения для β и c'k (см. 4.8.2), поскольку окончательное предельное значение не достигается. 4.8.2 Проектирование в предельном состоянии по прочности Первоначальный выбор типа геотехнической конструкции – расчет с применением характеристических величин. При выборе геотехнической конструкции коэффициент безопасности рассчитывается для характеристических величин. Такой коэффициент безопасности для строительства на нестабилизированном грунте (то есть строительство без колонн) должен быть выше 1.0. В некоторых случаях это означает то, что необходимо воспользоваться временными нагрузочными бермами. Если коэффициент безопасности для вероятности разрушения нестабилизированной насыпи (включая нагрузочные бермы, если применяются) превышает 1.0, то колонны можно разместить по квадрату или по прямоугольнику. Если коэффициент безопасности для вероятности разрушения (нестабилизированной насыпи) окажется менее 1.0 и места для нагрузочных берм не останется, колонны в зоне сдвига следует размещать панелями или сетками. При расчете устойчивости принимаемый предел прочности при сдвиге колонн должен быть ограничен 100 кПа (конечно же, можно применять и меньшие величины, если при выполнении полевых испытаний колонн или лабораторных испытаний смешанных образцов будут получены меньшие величины). При благоприятных условиях предел прочности на сдвиг, составляющий до 150 кПа, может использоваться на больших глубинах, например, под насыпью, с коэффициентом безопасности F > 1.2 для нестабилизированного грунта (то есть то же строительство, только без колонн). Следует избегать выполнения стабилизации в пассивной зоне поверхностей оползания, если только она не выполняется в форме панелей или блоков. Пласт грунта за пределами стабилизированного объема также должен иметь соответствующую несущую способность для выдерживания нагрузок, передаваемых нестабилизированному грунту при стабилизации колоннами. 27 Уклон поверхности земли влияет на выбор типа стабилизации. Если уклон земли круче 1:7 и коэффициент безопасности нестабилизированной насыпи составляет менее 1.2, колонны следует располагать панелями. Стабилизация в зоне сдвига должна производиться в виде панелей. Проектно-конструкторские работы Согласно EC1, погрешности в расчетной модели могут учитываться с использованием γRd. На практике еще не было определено, как выбирать γRd, если рассматривается стабилизация колоннами или массивом. В уравнениях, указанных ниже, γRd = 1.0. Последующие исследования необходимы для получения приемлемого значения, особенно если стабилизация выполняется на органических грунтах. Проектирование следует выполнять путем комбинированного анализа и бездренажного анализа. Комбинированный анализ подразумевает то, что наименьшее значение τfd или τfu выбирается для каждого участка поверхности оползания. В ходе оценки поровых давлений необходимо рассматривать исходные условия порового давления, а также влияние установки колонны и нагрузки. В описанном ниже подходе предполагается, что стабилизатор присутствует во всем поперечном сечении колонн и что колонны являются однородными. В стабилизированных колоннах в глине и органической глине рекомендуется использовать следующие величины (если лабораторные величины отсутствуют): Величина β варьируется от 0 до 0.3; она берется равной 0 для пассивной зоны, 0.1 для зоны прямого сдвига и 0.3 для активной зоны. Для колонн из стабилизированного сапропеля или стабилизированного торфа опыт отсутствует, но как правило c'k(col) и φ'k(col) выбираются так же, как и для неорганического грунта, как показано в уравнениях 4.1 и 4.2. Значения c'k(col) и φ'k(col) можно также взять по результатам лабораторных исследований, см. Главу 6. Подобно бездренажному анализу, c' для колонны стабилизированный объем рассчитывается по уравнению (4.3). Характеристический предел прочности при дренированном сдвиге τfdk рассчитывается по уравнению (4.4). Если φ'k(col) = φ'k(soil) = 30o, то φ'k можно принять равным 30o. где: a = A/c2, для прямоугольного размещения колонн A = площадь поперечного сечения колонн c = расстояние между центрами колонн Бездренажные параметры получены по уравнениям (4.5) и (4.6). Вышеуказанный принцип расчета устойчивости насыпей на стабилизированном грунте основан на полном взаимодействии между колоннами и грунтом. Если стабилизируются грунты, в которых происходят деформации ползучести, на полное взаимодействие между колоннами и нестабилизированной глиной полагаться нельзя. Стабилизация насыпей колоннами Практический опыт стабилизации колоннами в слабых органических грунтах достаточно ограничен. Насыпи, по высоте превышающие 2 м, обычно предполагают применение нагрузочных берм. Помните о том, что коэффициент безопасности при строительстве на нестабилизированном грунте (то есть строительство без колонн) должен быть выше 1.0, см. раздел «Первоначальный выбор типа геотехнической конструкции – расчет с применением характеристических величин». Несущая способность стабилизированного грунта на различных этапах строительства определяются по расчету поверхности оползания. Установка колонн имеет временный эффект снижения несущей способности грунта на этапе строительства. Этот факт всегда необходимо учитывать. Нагрузка на 28 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов стабилизированный грунт приводит к возникновению высоких поровых давлений в грунте и колоннах. В строительных технических условиях приведены рекомендации по определению последовательности приложения нагрузки, возможные ограничения на земляные работы и ограничения на будущее землепользование в районе стабилизированного участка. Ниже перечислены обязательные проверочные расчеты. Последующие проверки могут выполняться в зависимости от цели стабилизации, проекта, и т.д.: Коэффициент безопасности планируемой насыпи без стабилизации колоннами. Коэффициент безопасности после стабилизации колоннами в период приложения нагрузки с проверкой максимально допустимых приростов/разницы в уровнях нагрузки и крутизны склона. Проверка последовательности выполнения работ. Коэффициент безопасности насыпи, стабилизированной колоннами на этапе строительства с временной перегрузкой, ограничения, касающиеся участков временного хранения, интенсивности движения строительной техники, и т.д. Коэффициент безопасности в период эксплуатации готовой насыпи с нагрузкой под воздействием движущегося транспорта. Колонны выполняются такой длины, чтобы поверхности оползания, которые проходят под стабилизированным участком, имели бы допустимый коэффициент безопасности. Поверхности оползания, проходящие в большинстве своем через стабилизированный участок, должны иметь по меньшей мере одинаковый коэффициент безопасности. Это предполагает то, что прочность нестабилизированного грунта и колонн достигается одновременно и что колонны выступают в роли жесткого корпуса вместе с грунтом. В таких случаях расчеты поверхности оползания могут основываться на величине взвешенного предела прочности при сдвиге в активной части поверхности оползания, в соответствии с уравнениями (4.3) и (4.5). В процессе установки колонн, смешивание в некоторых зонах может быть нестандартным, из-за чего прочность окажется ниже необходимой. В этих случаях очень важно применить следующие ограничения в проекте: Зона возмущения в нестабилизированном грунте находится под каждой колонной; Пониженная прочность в верхнем метре длины колонны. Площадь зоны нарушения структуры грунта под колоннами зависит от конструкции смесителя и диаметра колонны. Для колонн диаметром 0.5-0.6 м под ними обычно получается зона нарушения структуры грунта длиной около 0.5 м. С течением времени в зоне нарушения структуры происходит повторное уплотнение. Подачу вяжущего материала под давлением обычно следует прекращать на отметке 0.5-1.0 м ниже поверхности земли для предотвращения обратного выталкивания материала по валу. Это означает, что верхний метр колонны может иметь различные свойства. Прочность на этом участке может оказаться ниже, чем плотность исходной сухой коры. Расчеты устойчивости выполняются с применением взвешенной величины предела прочности при сдвиге, см. уравнения (4.3) и (4.5). Если коэффициент безопасности при разрушении нестабилизированной насыпи (включая нагрузочные бермы, если имеются) окажется достаточным, колонны можно размещать по квадрату или по прямоугольнику. См. предыдущий раздел «Первоначальный выбор типа геотехнической конструкции – расчет с применением характеристических величин». Колонны в форме панелей/сеток или блоков Если коэффициент безопасности при разрушении (нестабилизированной насыпи) окажется слишком низким и на участке не будет места для установки нагрузочных берм, колонны в зоне сдвига следует размещать в форме панелей или сеток. Цель размещения колонн в форме панелей, сеток или блоков заключается в достижении наилучшего взаимодействия между колоннами и грунтом. Расстояние между панелями устанавливается так, чтобы достигалось взаимодействие между панелями и грунтом, а также для предотвращения неравномерной усадки надземной конструкции. Стабилизация массивом В расчете устойчивости стабилизация массивом принимается как однородный блок. 4.8.3 Проектирование в предельных состояниях по эксплуатационной пригодности Расчетная модель, общая информация Глубинную стабилизация следует сочетать с предварительной нагрузкой за счет временной перегрузки. Цель перегрузки заключается в уплотнении грунта для нагрузки, превышающей эксплуатационную нагрузку. Снятие части перегрузки в завершении периода предварительной нагрузки позволяет уменьшить будущие неравномерные усадки. Требования к предельным состояниям по эксплуатационной пригодности указываются заказчиком; см. 4.1. Помните о том, что требования технических стандартов касаются осадок, происходящих в процессе эксплуатации дороги. Поэтому могут развиться крупные усадки на этапе предварительной нагрузки, и как следствие, очень незначительные усадки в ходе эксплуатации. Нагрузка на участок, стабилизированный колоннами, частично переносится на колонны, а частично – на нестабилизированный грунт между колоннами. Модуль сжатия колонн значительно выше, чем модуль 29 сжатия нестабилизированного грунта. Таким образом, усадки под нагрузкой будут намного меньше на стабилизированной поверхности по сравнению с нестабилизированной. Представленная ниже расчетная модель была получена на основе модели для известковых колонн, описанной Бромсом (Broms) (1984 г.). Данная модель использовалась также для известковоцементных полужестких и мягких колонн, см. Рогбек и др. (Rogbeck et al) (1995 г.). Усадки в пределах объема стабилизированного грунта находятся под влиянием следующих факторов: - Соотношение между модулем сжатия колонн и модулем сжатия нестабилизированного грунта; - Пропорция стабилизированной поверхности, занятой колоннами; - Характеристики уплотнения грунта; - Несущая способность колонн; - Время приложения нагрузки при установке колонн; - Проницаемость нестабилизированного грунта и колонн. В данной расчетной модели подразумевается, что глубина грунта является равномерной и что все колонны проникают на одинаковую глубину. Поскольку существуют определенные отклонения в свойствах нестабилизированного грунта и в результатах стабилизации вяжущим материалом, использование колонн различной длины может оказаться экономически выгодным. В этом случае расчеты размеров усадок следует производить для различных длин колонн. Распределение нагрузки между колоннами и стабилизированным грунтом Распределение нагрузки между колоннами и нестабилизированным грунтом рассчитывается на предположении того, что на каждом уровне происходит одинаковое сжатие в колоннах и в нестабилизированном грунте. То есть нагрузка на нестабилизированный грунт постепенно переносится на колонны и что нагрузка передается на основания колонн, как показано на рис. 4.2. Усадки в грунте под колоннами рассчитываются с допущением того, что нагрузка передается на основания колонн. Проницаемость колонн будет выше, чем проницаемость нестабилизированного грунта, поэтому колонны ускоряют процесс уплотнения. Это означает, что пласт под колоннами может приниматься как дренируемый колоннами. Рис. 4.2. Принцип распределения нагрузки при стабилизации колоннами. Нагрузка q формируется из нагрузки q1 на колонны и нагрузки q2 на нестабилизированный грунт. Модуль сжатия колонн с течением времени увеличивается. Из-за применения, помимо прочего, различных методов смешивания и отношений напряжений, увеличение модуля сжатия происходит поразному в лабораторных и полевых условиях. В связи с этим, результаты расчетов усадки должны иметь возможные максимальные и минимальные значения. 30 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Разработка этапа предварительной нагрузки основывается на характеристических величинах. С использованием метода наблюдений могут быть обнаружены возможные отклонения от прогнозируемой усадки после выполнения измерений усадки на этапе строительства. Это позволяет получить основу для принятия решения о том, когда можно снимать временную перегрузку, необходимо ли увеличить перегрузку или период предварительной нагрузки следует продлить. Кривая жесткости стабилизированных колонн может приниматься как соответствующая кривой, показанной на рис. 4.3. Данная кривая остается линейной до достижения долговременной прочности (предел ползучести) колонн, а уклон кривой представляет собой модуль Юнга для колонн, Ecol. После превышения долговременной прочности нагрузка на колонны берется постоянной. Описываемые здесь отношения нагрузка-деформация используются для расчета распределения нагрузки между колоннами и нестабилизированным грунтом. Рис. 4.3. Предполагаемая кривая жесткости в колонне стабилизированного грунта. Предел прочности σult представляет собой функцию от предела прочности при сдвиге cuk колонн и действительного горизонтального давления σ´h колонн, в соответствии с эмпирическим выражением: σ´h – это действительное горизонтальное напряжение между грунтом и колоннами. Его можно принять равным исходному действительному вертикальному давлению в грунте из-за деформаций, которые возникают при смешивании стабилизатора. Уравнение (4.7) в некоторой степени основано на анализе общей нагрузки при φ = 30o в колонне. Распределение нагрузки между колоннами и нестабилизированным грунтом рассчитывается с использованием процесса итерации. Как правило, во внимание также принимается тот факт, что горизонтальное давление увеличивается при приложении нагрузки к участку, стабилизированному колоннами. Такое увеличение горизонтального давления принимается равным 50% от прилагаемой нагрузки на грунт, согласно уравнению (4.8), то есть нагрузка ползучести колонн увеличивается и колонны принимают на себя больше нагрузки. Долговременная прочность стабилизированных колонн, σcreep, может приниматься равной 70-95% от предельной прочности. Если долговременная прочность колонны составляет 90% от ее предельной прочности, это означает, что отдельная колонна предназначена для несения максимальной нагрузки q1max. где: a = A/c2, при размещении колонн по прямоугольнику A = площадь поперечного сечения колонн c = расстояние между центрами колонн 31 Нагрузка ползучести изменяется с изменением расстояния ниже уровня земли. Нагрузка q1, воспринимаемая отдельной колонной, всегда будет меньше, чем общая нагрузка q. Нагрузка q2 на нестабилизированный грунт рассчитывается как разница между общей нагрузкой q и нагрузкой q1, воспринимаемой колоннами. Расчет усадок Усадки на участке, стабилизированном колоннами, рассчитываются путем деления профиля грунта на характеристические пласты. Усадка в колоннах рассчитывается по уравнению (4.10), где Δh – это толщина пласта. где: S1 Δh q1/a a Ecol = усадка в колонне, м = толщина пласта, м = нагрузка на колонну, как указано выше, кПа = отношение площадей, как указано выше = модулю Юнга колонны, кПа Усадка в нестабилизированном грунте рассчитывается по уравнению (4.12) где: S2 q2/(1-a) Msoil = усадка в нестабилизированном грунте, м = нагрузка на нестабилизированный грунт, как было указано выше, кПа = модуль сжатия нестабилизированного грунта, кПа Первый расчет выполнен при q1 = q1max. Расчетная усадка S1 в колоннах должна быть сопоставлена с расчетной усадкой S2 в нестабилизированном грунте. Если S1 > S2, то передача нагрузки выполняется постепенным уменьшением q1 и соответствующим увеличением q2, чтобы в итоге получилось S1 = S2. Расчетная усадка Sm затем будет равна S1 и S2. Если грунт был уплотнен в нормальных условиях, Sm может быть рассчитан по уравнению (4.13). Однако если S1 < S2, колонны не смогут больше воспринять какую-либо нагрузку, при этом происходящая усадка Sm будет равна расчетной усадке S2 в нестабилизированном грунте. Усадки в пределах участка, стабилизированного массивом, рассчитываются на том предположении, что объем, стабилизированный массивом, будет вести себя как линейный эластичный абсолютно пластичный слой. Вся нагрузка q воспринимается объемом, стабилизированным массивом. Прочность выбирается таким размером, чтобы не превышалось предельное напряжение сдвига стабилизированного грунта. Усадка рассчитывается по уравнению (4.14). Помните о том, что значительные усадки могут происходить в процессе выдержки (когда нагрузка создается только рабочей платформой), поэтому такие усадки следует рассчитывать отдельно. где: Sm Δh q Mm 32 = усадка в объеме, стабилизированном массивом, м = толщина пласта, м = нагрузка на грунт, стабилизированный массивом, кПа = модуль сжатия грунта, стабилизированного массивом, кПа Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов При использовании стабилизации массивом необходимо применять рабочую платформу для предварительной нагрузки вскоре после завершения работ по стабилизации. При этом сжимается стабилизированный объем и увеличивается его прочность. Размер усадки в большой степени зависит от грунта, подлежащего стабилизации. При использовании торфа и извлеченного шлама могут происходить достаточно большие усадки из-за сжатия (сжатие может достигать 30-35%). В лабораторной процедуре, предлагаемой для подготовки и хранения испытательных образцов для Стабилизации массивом, предлагается, чтобы сжатие испытательного образца измерялось в лаборатории. Все отчетные записи могут использоваться для расчета первичных усадок. Тем не менее, такие усадки развиваются достаточно быстро. Вышеупомянутые усадки слоя, стабилизированного массивом, в период эксплуатации обычно незначительны. Если колонны выполнены под грунтом, стабилизированном массивом, расчет усадки объема, стабилизированного колоннами, выполняется в порядке, описанном выше. Расчет усадки, описанный выше, касается только стабилизированного объема. Расчет усадки в пласте под стабилизированным объемом выполняется традиционным способом. Распространение нагрузки в стабилизированном объеме не предусматривается. Степень усадки Если действительное напряжение в грунте меньше давления предварительного уплотнения, усадки будут развиваться очень быстро. Если действительное напряжение в грунте превышает давление предварительного уплотнения, степень усадки уплотнения в пласте стабилизированного грунта рассчитывается таким же образом, что и для вертикально дренированного грунта. Опыт показывает, что проницаемость макроструктуры колонны в 200-600 раз превышает проницаемость нестабилизированного грунта. Как уже говорилось выше, очень важно сделать прогноз масштаба и степени усадки в период предварительной нагрузки. На сегодняшний день колонны иногда рассматриваются как дрены, а теория не учитывает повышение прочности в колонне с течением времени и под нагрузкой. Для расчета степени усадки проницаемость органического грунта, стабилизированного известью, может приниматься в 1000 раз больше, чем проницаемость нестабилизированной глины. Проницаемость грунта, стабилизированного иными вяжущими материалами (например, известь/цемент) для расчета может приниматься в 200-600 раз больше, чем проницаемость нестабилизированного грунта. Проницаемость стабилизированного грунта сложно оценить заранее, поэтому результаты расчета степени усадки не могут приниматься как точные значения, но должны даваться лишь в виде интервалов. Для насыпей поверх извести и известково-цементных колонн с расстоянием между их центрами 0.8 - 1.8 м степень усадки можно примерно рассчитать по уравнению для радиального потока (изначально предложена Бароном (Barron) (1948 г.), затем изменена до настоящего вида Анбергом и др. (Åhnberg et al), (1986 г.); см. также Хансбо (Hansbo) (1979 г.)). Помните о том, что расчет степени усадки является лишь приблизительным. Мониторинг показывает, что расчетная степень усадки будет достаточно верной после развития 80-90% общей усадки. где: U cvh = = cvv = t R = = степень уплотнения коэффициент уплотнения в нестабилизированном грунте в горизонтальном направлении, для вертикальной деформации обычно принимается равным 2 cvv коэффициент уплотнения в нестабилизированном грунте в горизонтальном направлении и при вертикальной деформации время уплотнения зависимость от радиуса колонн Для колонн, расстояние между центрами которых в квадратной сетке или в сетке равнобедренных треугольников, зависимость от радиуса составляет R = c/(p)1/2 = 0.56c. Если колонны установлены в сетке равносторонних треугольников, R = 0.53c. 33 где n=R/r: r = c = LD = ksoil kcol = = радиус колонны расстояние между центрами колонн длина колонны с дренажом, направленным только вверх, при этом половина длины колонны имеет дренаж как вверх, так и вниз проницаемость нестабилизированного грунта проницаемость колонн Степень усадки, описанная выше, касается только стабилизированного объема. Расчет степени усадки под стабилизированным объемом выполняется традиционным способом, имея при этом ввиду то, что колонны дренируются в верхнюю часть пласта. 34 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 5. Свойства нестабилизированного грунта 5.1 Введение Из-за использования местного подстилающего слоя грунта в качестве конструктивной части метода глубинной стабилизации, технология применения колонн для стабилизации требует очень высокого качества инженерно-геологических изысканий на участке. Поэтому такие изыскания следует проводить с особой тщательностью. Если местоположение строительного участка известно, инженерно-геологические изыскания можно выполнить в полном объеме. Как правило, такие изыскания проводятся до начала разработки проекта. Очень важно знать свойства подстилающего слоя грунта, чтобы принять правильное решение на каждом конкретном участке проекта, а также для качественной разработки проекта. При необходимости, инженерногеологические изыскания могут выполняться в два этапа: предварительные изыскания, затем более детальные заключительные изыскания. Предварительные изыскания могут проводиться с проведением испытаний с помощью конического пенетрометра (CPT) и иных видов бурения для получения достаточной информации для предварительного проектирования. На данном этапе уровни границ слоя и типы подстилающих слоев уже известны. Предварительное проектирование может использоваться для грубой аппроксимации расходов на реализацию проекта, а также для получения представления о технических сложностях проекта. На втором этапе окончательное проектирование будет основываться на подробных инженерно-геологических изысканиях, которые необходимы для подготовки высококачественного проекта стабилизации грунтов колоннами и/или массивом. Итак, основная цель инженерно-геологических изысканий заключается в идентификации и описании характеристических слоев грунта. Вторичная цель заключается в обнаружении каких-либо препятствий в подстилающем слое. В следующем параграфе процедура проведения инженерно-геологических изысканий описана более подробно. 5.2 Характеристики участка Инженерно-геологические изыскания можно разделить на две категории: Полевые испытания Лабораторные испытания Как правило, применяется стандартное испытательное оборудование. Результаты каких-либо специальных устройств не требуются в процессе проектирования стабилизации грунтов колоннами. Испытания, описанные в данном параграфе, особенно эффективны для грунтов с высоким содержанием органических веществ. Если предполагается наличие волокнистого торфа, особое внимание следует уделить достоверности результатов испытаний в отношении определения параметров, необходимых для проектирования. Полевые испытания следует выполнять с использованием, например, CPTu (CPT с измерением порового давления) и буровых скважин для определения геотехнического профиля, а также взятия образцов для лабораторных испытаний для определения и описания характеристических слоев грунта. Для описания необходимых методов и оборудования рекомендуется использовать самый последний отчет TC 16 (проект или окончательный вариант). В случае выявления неоднородности в подстилающих слоях грунта особое внимание следует уделить определению границ слоя и их изменений. При проведении испытаний CPTu необходимо выполнить как минимум 3 испытания с максимальным расстоянием 40 метров. Как правило, рекомендуется выполнять дополнительные CPT и бурения скважин. Измерения порового давления необходимы для определения гидрогеологической ситуации. В Евростандарте 7 части 3 приведено общее описание вышеуказанных методов. Образцы с нарушенной и ненарушенной структурой необходимы для получения материала для проведения лабораторных испытаний. Образцы с ненарушенной структурой в органических глинах лучше всего брать посредством плунжерного отбора образцов или «Пробоотборника Делфт». Для торфяных грунтов используется торфяной пробоотборник, например, торфяной пробоотборник Геотехнического Института Швеции (Swedish Geotechnical Institute). Для определения предела прочности при сдвиге без дренажа в полевых условиях берутся результаты испытания CPT или испытания грунта на сдвиг крыльчаткой. Предел прочности при сдвиге без дренажа потребуется для анализа устойчивости. Указанные испытания следует выполнять на расстоянии не менее 50 метров друг от друга. Уровень поверхности земли следует измерять по относительной системе координат. Такое измерение используется в качестве контрольной величины. Лабораторные испытания можно разделить на испытания для определения классификации, на определение инженерных свойств, химических свойств и экологических характеристик. a) Классификационные испытания выполняются для получения знаний о типе и составе подстилающего грунта. Такие испытания следует выполнять для каждого отдельного слоя грунта. По результатам таких испытаний определяются следующие параметры: 35 Предел текучести Предел пластичности Показатель пластичности Содержание органических веществ Содержание воды Плотность Восприимчивость Von Post (для классификации торфа) Гранулометрический состав Глинистость Все вышеуказанные испытания проводились с использованием стандартных геотехнических испытаний, описанных в ETC 5 и Евростандарте 7. Полученные результаты позволят инженеру принять решение о пригодности слоев грунта для глубинной стабилизации и/или стабилизации массивом. b) Наиболее важными инженерными свойствами являются предел прочности при сдвиге без дренажа, сжимаемость и проницаемость. Характеристики предела прочности при сдвиге определяются, например, путем проведения испытаний на неограниченное сжатие, испытаниями на трехосное сжатие или испытаниями плотности конусом в соответствии с ETC 5. В случае выявления высокого содержания органических веществ предел прочности при сдвиге без дренажа будет достаточно высоким. Другой метод заключается в использовании результатов CPT. Расчет считается правильным, если предел прочности при сдвиге без дренажа составляет 5 - 10% (в зависимости от типа грунта) от конического сопротивления qc определенного слоя грунта. В случае работы с грунтами с высоким содержанием органических веществ рекомендуется применять именно этот метод. Определение предела прочности при сдвиге без дренажа позволяет, например, принять решение о возможности стабилизации такого грунта. Деформационные свойства – сжимаемость и проницаемость – определяются посредством одометровых испытаний (ступенчатое нагружение или Постоянная скорость деформации) согласно ETC 5. Такие испытания следует выполнять с траекториями, нагрузки, повторной нагрузки и разгрузки. Проницаемость можно определить посредством испытаний на высоту напора, испытаний под постоянным напором или одометровых испытаний (ступенчатое нагружение или CRS). Эти испытания также подробно описаны в ETC 5 и выполняются в лабораторных условиях. Проницаемость можно определить на месте за счет выполнения такого типа испытаний или испытаний на восходящий напор в буровом стояке. В таких испытаниях вода в буровом стояке опускается вниз. Расчет проницаемости можно выполнить с применением времени, необходимого подземным водам для повторного наполнения бурового стояка. Инженерные свойства исходного грунта используются в процессе проектирования. Они могут также использоваться в качестве контрольных величин для результатов, полученных в стабилизированных грунтах. Это позволяет инженеру получить представление о мелиорации грунта. Для определения характерного набора инженерных свойств испытания следует выполнять в каждом отдельном слое грунта c) Химические свойства определяются для того, чтобы дать практические рекомендации и обосновать выбор типа и количества вяжущего материала. При этом определяются следующие параметры: Содержание сульфатов Содержание хлоридов Содержание карбонатов Влажные кислоты/ООУ Емкость катионного обмена (согласно ISO 13536 или 11260) pH-баланс грунтовых вод Эти испытания описаны также в Евростандарте. d) Для определения воздействия стабилизации на окружающую среду также необходимо выполнить ряд испытаний. Экологические характеристики, это: pH-баланс (согласно ISO 10390) емкость катионного обмена (согласно ISO 13536 или 11260) содержание сульфидов содержание карбонатов тип и общая концентрация ионов и металлов. Эти испытания используются в качестве эталонного измерения. имеющаяся концентрация ионов и металлов определяется испытаниями на выщелачивание. 36 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 6. Свойства стабилизированного грунта 6.1 Введение Успешное и экономически рентабельное применение глубинной стабилизации грунтов (стабилизация колоннами и массивом) требует сочетания лабораторных и полевых испытаний для оценки инженерных и экологических свойств. Необходимо также учитывать местный опыт, например, влияние на масштаб испытаний. На первом этапе проекта необходимо выполнить проектные лабораторные испытания, включая смешивание грунта и вяжущего материала, а также исследование стабилизированного грунта в лабораторных условиях для выработки суждения о влиянии глубинной стабилизации на конкретные типы грунтов. Наиболее важными результатами лабораторных исследований являются расширение знаний о приемлемых типах и количествах вяжущих материалов. На втором этапе инженерные и экологические свойства определяются в полевых условиях за счет установки и испытания соответствующего количества испытательных колонн (грунтовых подушек, стабилизированных массивом). На основании результатов таких испытаний выбираются тип вяжущего материала, его количество, способ установки, и т.д., а также расчетные значения для итогового проекта. Очень важно определить все слои грунта и обратить внимание на слои, требующие принятия особых мер в отношении, например, вяжущих материалов и способов смешивания. 6.2 Общие свойства стабилизированного грунта Свойства стабилизированной глины, сапропеля и торфа по большей части зависят от типа вяжущего материала, используемого для стабилизации, его количества, а также геотехнических и химических свойств самого грунта. Эти свойства значительно изменяются с течением времени, например, увеличивается прочность после смешивания. Свойства стабилизированного грунта не могут быть спрогнозированы на основании свойств естественного грунта, подлежащего стабилизации. В любом случае, необходимо выполнить лабораторные и полевые исследования на уже стабилизированном грунте. Стабилизация массивом представляет собой стабилизацию всего объема грунта. При стабилизации колоннами между ними остается естественный, нестабилизированный грунт. Тем не менее, колонны укрепляют грунт вокруг них подобно стальной арматуре в бетоне. Благодаря этому, взаимодействие между колоннами и окружающим грунтом имеет особую важность. Пример такого взаимодействия показан на рис. 6.1, где миграция вяжущих материалов на основе извести видна в виде сероватого участка вокруг колонн, которые были стабилизированы смесью извести и гипса. Рис. 6.1. Миграция извести из колонны в окружающий грунт. 6.2.1 Стабилизированный грунт – исследования в лабораторных условиях Лабораторные исследования стабилизированного грунта следует выполнять в определенном порядке для получения достоверных и оптимальных результатов: 1. Прежде всего, вертикально непрерывные / почти непрерывные образцы берутся из наиболее важных и сложных точек (например, самые глубокие залежи слабого грунта) стабилизируемого участка. Точки отбора образцов выбираются на основании геотехнических данных. Образцы грунта тестируются на предмет их геотехнических и химических характеристик (Гл. 5). Результаты покажут 37 разницу в стратиграфии грунта и позволят сделать выбор между слоями грунтов, возможными типами вяжущих материалов и их количестве для проведения испытаний на стабилизацию. 2. Первые испытания на стабилизацию выполняются для отбора неэффективных типов вяжущих материалов и для выбора оптимального материала. Отборочные испытания включают в себя испытания на прочность при неограниченном сжатии в отношении испытательных образцов, которые стабилизировались в течение 28 или (как рекомендовано) 90 дней. 3. И, наконец, определяется оптимальное количество вяжущего материала и изменение стабилизированного грунта с течением времени (посредством испытаний прочности при неограниченном сжатии). При необходимости, более точные проектные параметры можно определить испытаниями на трехосное сжатие. В Таблице 6.1 приведены примеры увеличение относительной прочности по результатам лабораторных испытаний на скандинавских грунтах с применением различных смесей вяжущих материалов в различных типах грунта. Таблица 6.1. Увеличение относительной прочности по результатам лабораторных испытаний (прочность при неограниченном сжатии по истечении 28 дней выдержки) на скандинавских грунтах. Органические Вяжущий материал Соль Глина Торф соли, например, сапропель, органическая глина Содержание органических веществ 0-2% Содержание органических веществ 0-2% Содержание органических веществ 2-30% Цемент xx x x Цемент + гипс x x xx Цемент + печной шлак xx xx xx Известь + цемент xx xx x Известь + гипс xx xx xx Известь + шлам x x x Известь + гипс + шлам xx xx xx Известь + гипс + цемент xx xx xx Известь xx xxx очень хороший вяжущий материал для большинства видов применения xx хороший для большинства видов применения x хороший для некоторых областей применения применение не допускается 38 Содержание органических веществ 50100% xx xx xxx - Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 6.2.2 Влияние количества вяжущего материала (лабораторные испытания) Влияние количества вяжущего материала на прочность стабилизированного грунта было исследовано в лаборатории проекта EuroSoilStab. На рис. 6.2 приведено несколько примеров, которые доказывают то, что влияние количества вяжущего материала может быть различным в зависимости от самого вяжущего материала. Например, количество печного шлака существенно снижает качество стабилизации торфа. Количество вяжущего материала [кг/м3] Количество вяжущего материала [кг/м3] Количество вяжущего материала [кг/м3] Рис. 6.2. Примеры EuroSoilStab влияния количества вяжущего материала на прочность (прочность при неограниченном сжатии), 90 дней после смешивания. a) Торф из Содерхамна, Швеция; b) Глина из Кивикко, Финляндия; c) Сапропель из Порвоо, Финляндия. Условные обозначения вяжущих материалов: цифры показывают пропорции различных вяжущих материалов, которые включают: C = цемент, M = доменный шлак из Швеции, V = зольная пыль из Швеции, H = зольная пыль из Финляндии, F = гипс Finnstabi®, T = вторичная гашеная известь с не менее 50 % Ca(OH)2, L = известь (CaO), K = доменный шлак из Финляндии. 39 6.2.3 Влияние времени выдержки (лабораторные испытания) Влияние времени выдержки на различные типы стабилизированных грунтов было исследовано в проекте EuroSoilStab. Было доказано, что влияние времени будет различным в зависимости от состава смесей вяжущего материала и грунта. При использовании только цемента в качестве вяжущего материала химические реакции в результате стабилизации будут практически полностью заканчиваться в течение первого месяца. С другой стороны, процесс стабилизации материалов, содержащих известь, печной шлак, гипс или зольную пыль заметно продолжается в течение нескольких месяцев. В связи с этим, могут обнаружиться изменения в порядке расстановки приоритетов для различных смесей вяжущих материалов по окончании 3-месячных испытаний при сравнении полученных результатов с результатами 1-месячных испытаний. На рис. 6.3 приведены соответствующие примеры: a. торф Время выдержки, сутки b. глина Время выдержки, сутки c. сапропель Время выдержки, сутки Рис. 6.3. Примеры EuroSoilStab влияния времени выдержки. a) Торф из Содерхамна, Швеция; b) Глина из Кивикко, Финляндия; c) Сапропель из Порвоо, Финляндия. Условные обозначения см. под рис. 6.2. 6.2.4 Влияние проницаемости (лабораторные испытания) Стабилизация оказывает существенное влияние на проницаемость грунта. Вяжущие материалы на основе извести или известково-цементных смесей могут привести к увеличению проницаемости глины в 100-1000 раз. Проницаемость такого порядка в стабилизированном грунте учитывается в расчетных моделях (расчетной системе), но не должна учитываться до тех пор, пока не будет проверена. 40 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов При использовании гипса и цемента такие материалы обычно становятся менее проницаемыми. Время стабилизации не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на проницаемость. Например, испытания торфа на проницаемость с различными вяжущими материалами показали, что проницаемость (k) стабилизированного торфа находится в пределах между 10-9 … 10-8 м/сек как по истечении 28 дней, так и по истечении 180 дней. 6.2.5 Влияние предварительной нагрузки Предварительная нагрузка участка, стабилизированного массивом, оказывает существенное отрицательное воздействие на стабилизацию торфа. В связи с этим, необходимо всегда учитывать важность такой нагрузки и тщательно планировать схему нагружения участка. Решение о применении предварительной нагрузки может быть принято на основании устойчивости насыпи. На рис. 6.4. приведены примеры влияния предварительной нагрузки, полученные по результатам проекта EuroSoilStab. a. торф Предварительная нагрузка [кПа] b. сапропель Предварительная нагрузка [кПа] Рис. 6.4. Примеры EuroSoilStab влияния предварительной нагрузки a) Стабилизированный торф из Кивикко, Финляндия. b) Стабилизированный сапропель из Порвоо, Финляндия. Условные обозначения см. под рис. 6.2. 6.2.6 Приемлемость для окружающей среды Испытания на выщелачивание проводятся для определения развития такого процесса и потенциального урона окружающей среде при стабилизации грунта с использованием различных типов вяжущих материалов. Как правило, выщелачивание стабилизированной глины и сапропеля проверяется при помощи испытаний на диффузию согласно стандарту Нидерландов NEN 7345. Испытания колонн (NEN 7343) можно проводить для проверки выщелачивания стабилизированного торфа. В проекте EuroSoilStab испытания на выщелачивание проводились на различных стабилизированных грунтах, а также сравнивались с естественными грунтами. Стабилизированные грунты выбирались с тем, чтобы они содержали вяжущие материалы на основе промышленных отходов, таких как золы, печной шлак и гипс. Результаты показали, что при использовании вяжущих материалов на основе извести и цемента, а также испытанных промышленных отходов, никакого повышенного риска для окружающей среды не наблюдается. Работа с испытательными образцами описана в параграфе 6.5. 41 6.2.7 Стабилизация в лаборатории по сравнению со стабилизацией в полевых условиях Прочность испытательного стабилизированного образца, сделанного в лаборатории, обычно значительно выше, чем прочность соответствующего материала, взятого с участка. Такая разница по большей части возникает из-за более эффективного смешивания вяжущего материала и грунта в лабораторных условиях. Кроме того, температура окружающего воздуха в лаборатории более стабильна и отличается от температуры в полевых условиях. Последнее утверждение становится очевидным при сравнении прочности хорошо смешанных лабораторных испытательных образцов с прочностью образцов, взятых из похожих, но менее однородно смешанных колонн. У лабораторных испытательных образцов достижимая прочность обычно в 10-50 раз выше, чем прочность естественного (нестабилизированного) грунта. При стабилизации колоннами фактическая прочность обычно варьируется от 20% до 50% от прочности лабораторных испытательных образцов. τfu (stab soil) = 10 … 50 * τfu (soil) τfu (col) = 0,2 … 0,5 * τfu (lab) где τfu (stab soil) = τfu (soil) = τfu (col) = Предел прочности стабилизированных лабораторных испытательных образцов при сдвиге без дренажа Предел прочности естественного грунта при сдвиге без дренажа Предел прочности стабилизированных колонн без дренажа Корреляция между образцами для лабораторных и полевых испытаний обычно происходит лучше всего при более низких уровнях прочности и по мере увеличения содержания извести в вяжущем материале. При стабилизации массивом смешивание на месте может дать практически такую же прочность в полевых условиях, что и прочность испытательного образца в лабораторных условиях. 6.3 Вяжущие материалы 6.3.1 Типы вяжущих материалов Вяжущие материалы могут быть гидравлическими, то есть самозатвердевающими в контакте с водой, или негидравлическими, то есть требующими реакции некоторой части материала для затвердевания. Негидравлические вяжущие материалы могут применяться для активации скрытых гидравлических материалов для получения реакционно-способных смешанных продуктов. Гидравлический вяжущий материал позволяет стабилизировать практически любые типы грунтов, однако для предотвращения образования гетерогенного конечного продукта механическое смешивание вяжущего материала в грунте должно быть очень хорошим. Негидравлические вяжущие материалы обычно реагируют с глинистыми минералами в грунте, что приводит к образованию стабилизированного материала с улучшенными геотехническими свойствами. При необходимости, качество вяжущих материалов следует определять по действующему стандарту CEN. Известь Известь существует в двух формах – жженая известь (CaO) или гашеная известь (Ca(OH)2). Также встречается гидравлическая известь, однако опыт ее применения в стабилизации достаточно ограничен. Стабилизация известью основана на реакции с минералами в грунте или с добавленными минеральными материалами. Продуктами химической реакции являются гидрат силиката кальция (CSH) и гидрат алюмосиликата кальция (CASH). Жженая известь вступает в реакцию с водой в грунте и образует гашеную известь. В дополнение к химическому смешиванию воды, в результате данной реакции также выделяется тепло, которое способствует ускорению реакций и уменьшению содержания воды. CaO + H2O => Ca(OH)2 + тепло - Гидратация извести, высушивание грунта Ионообменные реакции, влияют на структуру грунта Увеличение величины pH, увеличение растворимости Si и Al из минерального вещества Пуццолановые реакции, долгосрочные реакции стабилизации Базовый стандарт: стандарт CEN EN 459-1. CL 80 и CL 90 являются примерами жженой извести. 42 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Цемент Цемент представляет собой гидравлический вяжущий материал. При схватывании цемента грунт выступает в роли клея, однако он не изменяет структуру глинистого грунта так, как это делает известь. При этом также происходит некоторое высушивание грунта. Цемент не зависит от реакции с минералами, однако может достаточно хорошо стабилизировать любое грунтовое вещество. Существует большое количество различных типов цемента. Как правило, применяется обычный портланд-цемент для стабилизации, однако его состав может отличаться в разных странах. Цемент с более мелкими гранулами будет более реакционно-способным. В некоторые типы цемента могут добавляться различные присадки, такие как шлак, зола или гипс. CSH и Ca(OH)2 получаются в результате реакции цемента с водой. Базовый стандарт: EN 197. CEM I 42,5 и CEM II 42,5 являются примерами маркировки цементов, используемых для стабилизации. Доменный шлак Для того, чтобы шлак стал реакционно-способным, его необходимо гранулировать. Его быстро охлаждают для придания ему структуры стекла, которая необходима для реакционной способности. Затем данный гранулированный продукт подвергают дроблению. Чем мельче гранулы, тем более реакционно-способным будет шлак. Доменный шлак активируется при помощи извести или цемента для получения более быстрой реакции. По своему химическому составу доменный шлак похож на цемент, однако количество и реакционная способность могут быть различными в зависимости от печи. Доменный шлак может рассматриваться как экономичная замена для цемента. Как правило, доменный шлак используется как составная часть смешанного продукта. Зола и FGD Зола – это мелкозернистый остаток процесса горения. FGD – это конечный продукт десульфуризации дымовых газов. Состав зол варьируется в зависимости от топлива и процесса горения. Наиболее часто в качестве топлива используется каменный уголь, торф и различные биотоплива. Зольная пыль собирается из печных газов при помощи специального фильтра. PFA используется в Великобритании для сбора зольной пыли после сгорания угля. Реактивными компонентами в золах являются SiO2 и Al2O3. На сегодняшний день большинство «станций» оборудуются какой-либо установкой для десульфуризации. Известняк или известь чаще всего используются в качестве сорбента для захвата серы из печных газов. Если зольная пыль смеивается с FGD, ее реакционная способность может быть нарушена. FGD может быть чистым гипсом, но может быть и сульфатом кальция, который практически инертен. Это зависит от применяемой технологии десульфуризации. Пуццолановая реактивность золы варьируется в широких диапазонах и определяется отдельно для каждого продукта. Как правило, золы сами по себе не очень реактивны, однако они позволяют уменьшить стоимость смешанного продукта. Продукты из сульфата кальция Гипс в виде минерального сырья встречается в форме дигидрата, CaSO4 • 2H2O. При нагреве примерно до 175°C он теряет некоторое количество воды и становится полугидратом, CaSO4 • %H2O. При кальцинации до практически безводного состояния он преобразуется в ангидрид, CaSO4. При растворении гипса получаются ионы Ca- и SO4-, которые активируют, например, доменный шлак и зольную пыль. В сочетании с растворимыми алюминатами гипс реагирует до образования эттрингита. Сульфат кальция получается из различных промышленных процессов в виде побочного продукта. Продукты из сульфата кальция используются в виде составных частей смесей. Другие побочные продукты Обжиговая пыль может послужить примером побочного продукта в производстве извести. Это мелкозернистый материал, собираемый в фильтре из печных газов обжиговой печи. Как правило, он содержит пыль карбоната кальция, топливной золы и небольшое количество оксида кальция. Тонкая кремнеземная пыль является еще одним примером побочного продукта, который может использоваться в смесях. Это побочный продукт в производстве металлического кремния или феррокремниевого сплава. Указанные побочные материалы не стандартизируются, однако производители могут иметь собственные спецификации. Технические характеристики таких продуктов следует проверять в зависимости от ситуации для принятия решения об их применимости для процедуры стабилизации. 43 Смеси с сухими вяжущими материалами Вышеуказанные материалы можно смешивать друг с другом в различных пропорциях для оптимизации технических характеристик и экономии средств при обработке грунта. Смеси могут производиться в заводских условиях или смешиваться на месте с использованием стабилизационного оборудования. Влажные вяжущие материалы Для влажного метода в качестве вяжущего материала чаще всего используется цемент. Перед выполнением стабилизации такой материал смешивается с водой для получения жидкого раствора. 6.3.2 Требования Химический состав Как указано в действующих стандартах, указанных выше. Текучесть Свободная текучесть в машинном оборудовании* Размер гранул Пневматическая транспортируемость, не должны забивать фидеры Документально зафиксированный состав смесей Утвержденные стабилизационные испытания в лабораторных и полевых условиях Хранение вяжущих материалов Поскольку большинство вяжущих материалов вступают в реакцию с влагой, хранить их следует в сухих, закрытых емкостях. Кроме того, необходимо оградить рабочее место от попадания пыли. Длительное хранение для таких материалов не рекомендуется, поскольку это может привести к снижению реакционной способности и ухудшению текучести. Требования техники безопасности Из-за высокой щелочности большинство материалов являются раздражителями для глаз и кожи. Избегайте вдыхания паров вяжущих материалов. При контакте с водой или кислотами некоторые вяжущие материалы выделяют тепло. Работать с такими продуктами следует в защитных перчатках, в маске и очках. Особое внимание следует проявлять при работе с высоким давлением, например, при опорожнении автоцистерн или при наполнении емкостей стабилизационного оборудования. Внимательно изучайте требования техники безопасности, прилагаемые к каждому продукту. Все меры безопасности должны соответствовать национальным законодательным требованиям. 6.3.3 Выбор вяжущего материала При выборе вяжущего материала необходимо учитывать характеристики различных типов грунтов и предъявляемых к ним требований, например, нарастание прочности в грунтах, см. 6.2. 6.4 Лабораторные испытания В данном разделе описываются различные лабораторные испытания, которые обычно выполняются для сбора информации о веществах, которые можно было бы наиболее эффективно использовать в качестве стабилизаторов на конкретном участке, а также для определения геометрических характеристик стабилизированного грунта, в частности прочности, жесткости, сжимаемости и проницаемости. 6.4.1 Программа испытаний для составления смеси Сложность химического и физического взаимодействия органических глин, сапропеля и торфа с веществами из состава стабилизатора настолько велика, что на сегодняшний день невозможно предсказать для каждого конкретного участка, какой же стабилизатор и в каком количестве даст оптимальные результаты. Даже при работе с похожими грунтами или при небольших вариациях в характеристиках стабилизаторов можно получить абсолютно разные свойства стабилизированного грунта, и зачастую даже небольшие различия приведут к противоречию с предыдущим накопленным опытом. В связи с этим, необходимо разработать программу лабораторных испытаний для определения оптимального состава смеси стабилизатора и его количества, выполнять которую следует на раннем этапе реализации любого проекта, см. 6.1. Методики испытаний для подготовки образцов грунта, стабилизированного известью и материалами на основе цемента при стабилизации колоннами и массивом, а также для хранения таких образцов, приведены в пунктах 6.4.2 и 6.4.3 ниже. В них подробно описаны все мероприятия, которые необходимо выполнить для получения образцов стабилизированного грунта и их последующего испытания на * 44 В Швеции существует государственный стандарт для текучести извести. SS 13 40 05. Химические продукты на основе извести для промышленного применения – Определение текучести продуктов на основе извести (на шведском языке). Данный метод также описан в von W. Imse; Mainz: Messung der Flieifähigkeit von Zement. Zement Kalk Gips N:o 3 1972. Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов прочность, жесткость, сжимаемость и проницаемость с применением различных стандартных геотехнических испытаний. Грунт, который будет использован для подготовки таких образцов, должен представлять все слои грунта, представленные на стабилизируемом участке. Известно, что органические отложения могут быть совершенно различными как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, поэтому зачастую требуется тщательное исследование участка для определения мест, наиболее полно представляющих все разнообразия местного грунта. Образцы небольшого размера и минимальная потеря грунта в процессе подготовки образцов ограничивают количество собираемого грунта, поэтому стандартные методы отбора проб позволяют взять достаточное количество грунта. Общие характеристики колонны стабилизированного грунта практически полностью определяются по ее наиболее слабым местам, при этом необходимо учитывать состав смеси, уделяя особое внимание тем слоям, которые заведомо будет достаточно сложно стабилизировать. Если такие слои можно определить с высокой точностью, для них можно предусмотреть более интенсивное смешивание, поскольку зачастую это обуславливает получение наилучших характеристик, благодаря чему общее количество стабилизатора можно будет уменьшить. Всегда целесообразно испытывать несколько стабилизаторов (каждый в нескольких количествах) в ходе выполнения программы лабораторных испытаний. Достаточно сложно вывести общее правило для выбора стабилизатора, однако анализ результатов испытаний, выполненных в рамках проекта EuroSoilStab в Финляндии в отношении грунтов и стабилизаторов, чаще всего используемых в этой стране, может дать некоторую полезную информацию (см. п. 6.2.). Приложение нагрузки на поверхность грунта в полевых условиях до или сразу после стабилизации помогает увеличить прочность такого грунта. Таким образом, программы лабораторных испытаний иногда могут включать в себя приложение нагрузки к образцу в ходе его выдержки. Это особенно важно при стабилизации торфа массивом или в случае высокого содержания воды в торфе, выступающем в качестве верхнего слоя грунта, см. 6.4.3. 6.4.2 Методика обработки испытательных образцов в лабораторных условиях (стабилизация колоннами) Общая информация Здесь описан порядок лабораторной подготовки образцов грунта, стабилизированного путем смешивания с известью и/или материалами на основе цемента для глубинного смешивания. Особое внимание уделяется слабым связным грунтам, которые могут включать в себя органические вещества в различной степени их содержания: органическая глина, сапропель или торф. Несвязные грунты, такие как песок и ил, также могут подвергаться данному виду испытаний. Материалом стабилизатора может быть известь или цемент (например, портландцемент или шлакопортландцемент) либо смесь цемента с присадками, такими как земляной гранулированный доменный шлак, гипс, известь или зольная пыль. Такие образцы используются для изучения свойств стабилизированного грунта, например, посредством испытаний на неограниченное сжатие или трехосных испытаний. При стабилизации массивом необходимо выполнить различные процедуры для лабораторной подготовки образцов стабилизированного грунта, см. 6.4.3. Важность и использование результатов Описываемая здесь методика относительно проста и позволяет получить образцы стабилизированного грунта, применимые для определения прочности и жесткости посредством лабораторных испытаний цилиндрических образцов на прочность, например, испытания на неограниченное сжатие, различные виды трехосных испытаний и испытания на прямой сдвиг. Другие свойства, такие как проницаемость, физическая, химическая устойчивость и сжимаемость также можно определить на основании таких образцов. Данная методика позволяет получить образцы, которые в последующем можно использовать для определения типа стабилизатора и дозировки для проектов с глубинным смешиванием. Однако образцы, полученные по данной методике, не отражают в полной мере структуру грунта, стабилизированного на месте с использованием общепринятых методов глубинного смешивания. Условия смешивания и выдержки в лабораторных условиях значительно отличаются от полевых условий, и, как следствие, лабораторная прочность и жесткость, определенные для образцов, подготовленных по данной методике, скорее всего будут отличаться от значений, полученных в полевых условиях. Тем не менее, при разработке проекта по глубинному смешиванию будет целесообразным выполнить сравнительное лабораторное исследование свойств различных образцов, подготовленных с использованием различных материалов стабилизатора с различными дозировками и после различных периодов выдержки, зачастую такое исследование даже необходимо. Кроме того, можно выработать эмпирические правила для учета различий в, например, прочности и жесткости между материалом, стабилизированным в полевых и в лабораторных условиях. Необходимо произвести целый ряд испытательных колонн до или в начале фактической реализации проекта. На основании полученных результатов лабораторной программы можно получить несколько комбинаций стабилизаторов и их дозировок, а сами результаты использовать для окончательного выбора и определения инженерных свойств для их использования в окончательной версии проекта. Существуют и разрабатываются более сложные методики, которые либо максимально близко воссоздают методики полевого глубинного смешивания, и, как следствие, позволяют максимально устранить эмпирический коэффициент «лаборатория/поле», либо нацелены на повышение воспроизводимости свойств образцов (например, прочности). Недавние испытания показали, что последняя задача не была достигнута, поэтому воспроизводимость образцов, подготовленных по описываемой здесь методике, необязательно будет достигнута даже с применением более сложных методик. 45 Описываемая методика не дает руководства по количеству испытаний, которые необходимо выполнить, а также по количеству переменных (например, различные стабилизаторы, дозировки, продолжительность периода выдержки, и т.д.), которые необходимо протестировать. Эти вопросы следует внимательно спланировать при подготовке лабораторного исследования. Материалы и оборудование Грунт Грунт берется с исследуемого участка. Его можно получить при помощи стандартных устройств для взятия проб грунта, таких как трубчатый и поршневой пробоотборники, либо пробоотборник Делфт непрерывного действия. Извлеченный змеевиком керн можно использовать в том случае, если можно доказать, что смешивание различных слоев грунта осуществляется в допустимых пределах. Змеевики большого диаметра (>20 см) имеют одно преимущество, заключающееся в возможности сбора большого количества грунта, в то время как рассматриваемые нами слабые грунты обычно легко пробиваются ими насквозь. В то время, трубчатые пробоотборники большого диаметра, такие как SGI Peat Sampler (торфяной пробоотборник), позволяют получить более качественные образцы в достаточных количествах и при приемлемых расходах из большинства видов слабых отложений. Стабилизатор Стабилизаторы – это материалы, обладающие гидравлическими свойствами, такие как портландцемент, шлакопортландцемент, земной гранулированный доменный шлак, зольная пыль, гашеная или негашеная известь, и гипс (безводный, полугидратированный или дигидратированный). Стабилизатор, используемый для лабораторного приготовления образцов, должен включать в себя все материалы, которые будут применяться на месте, а хранить его следует так, чтобы его свойства не были нарушены под воздействием влаги или влажного воздуха или слишком высоких температур. Если материалы стабилизатора хранились в течение длительного периода времени, перед применением необходимо проверить их реакционную способность. Стабилизатор может представлять собой смесь двух или более стабилизирующих материалов. Наполнители, такие как песок, кремнеземная пыль, и т.д., также можно добавлять в такие смеси. Некоторые стабилизаторы, особенно негашеная известь, обладают каустическими свойствами, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать все установленные меры предосторожности. Оборудование - Смесительная установка достаточной емкости для смешивания грунта в ходе выполнения всей программы испытаний (обычно 20-50 литров). - Смесительная установка достаточной емкости для смешивания какого-либо объема грунта с одним вяжущим материалом (обычно 3 - 5 литров). - Цилиндрические формы, например, пластиковые трубки или картон, покрытый пластиком, с внутренним диаметром 50 мм и длиной не менее 100 мм. Торцы должны быть ровными и перпендикулярными продольной оси. Низ формы может быть закрыт плоской и жесткой крышкой или установлен на ровную пластину. В обоих случаях уплотнение между формой и дном должно быть достаточно прочным для предотвращения потери смешанного грунта. Для минимального нарушения структуры при извлечении образца из формы после его выдержки в пластиковых формах можно, например, сделать по одной продольной канавке, которая позволит раскрыть форму для извлечения образца, или можно использовать разъемные пластиковые или металлические формы. Разъемные или разборные формы необходимо прочно скрепить и обеспечить их водонепроницаемость при засыпке и уплотнении образца. При использовании цилиндрических форм без продольных канавок сила, прилагаемая для извлечения образца из трубки, должна быть минимальной. При затруднительном извлечении образца из формы можно использовать специальное масло на основе воска. Если вы используете такое масло убедитесь в том, что оно не будет оказывать влияния на свойства образца. - Вилка: кухонная вилка, зубцы которой можно согнуть под необходимым углом и длиной примерно 15 мм. - Уплотнительное приспособление: круглый стальной штамп, например, толщиной 10 мм и диаметр которого на 5 мм меньше диаметра формы, с присоединенным стальным стержнем, например, длиной около 50 мм. В качестве альтернативы можно использовать пресс, способный создать нагрузку на штамп около 100 кПа. При работе с вязкими грунтами может потребоваться прикрепить наклонное основание к штампу такого пресса. Порядок подготовки Гомогенизация грунта Примечание Более подробные сведения о методах подготовки грунта, таких как тип смесительной установки и смесителя, питание, скорость вращения смесительной установки, продолжительность смешивания, и т.д., здесь не приводятся, однако выбирать их следует на основе местного опыта работы с конкретным грунтом и имеющимся оборудованием. Классификация грунта на раннем этапе поможет вам сделать правильный выбор. Для этого необходимо определить общий удельный вес, содержание воды, содержание органических веществ, степень гумификации, гранулометрический состав и максимальные длины волокон. Например, крупноволокнистый торф может потребовать применения различных видов обработок по сравнению со слабоорганической илистой глиной. 46 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Количество грунта, достаточное для подготовки необходимого количества образцов стабилизированного грунта, помещается в смеситель. Если такое количество грунта превышает емкость смесителя необходимо воспользоваться более крупным смесителем. Запрещается смешивать один тип грунта несколькими партиями. По возможно, извлеките из грунта отдельные корни, крупные волокна и крупнозернистые материалы. Смешивайте грунт до тех пор, пока он не станет однородным. При работе с волокнистым торфом ограничьте время смешивания для предотвращения разрушения волокон. При необходимости, вручную переместите налипший грунт к центру смесительного бачка. Зафиксируйте время, затраченное на смешивание. Возьмите два небольших образца, определите их общий удельный вес и содержание воды. В качестве альтернативы удельный вес можно определить на основе знаний в конкретной области и на определенную глубину, предпочтительно по результатам исследования образцов с ненарушенной структурой. Выбор диаметра образца Выберите диаметр образца в зависимости от размера зерен смешиваемого грунта. В большинстве случаев 50 мм вполне достаточно. Образцы более крупного диаметра следует использовать только в том случае, если грунт содержит множество крупнозернистых частиц или волокон. Подготовка стабилизатора При использовании стабилизатора, содержащего два или более материала, смешивать их следует в необходимых пропорциях и в количестве, достаточном для выполнения всех необходимых испытаний. При следующем смешивании подготовьте жидкий раствор путем смешивания стабилизатора с водой для получения необходимого соотношения вода/стабилизатор (м/м). Смешивание грунта со стабилизатором Поместите в смеситель объем грунта, достаточный для приготовления необходимого количества образцов стабилизированного грунта, взятых из конкретного типа грунта, и стабилизатора, взятого в необходимом количестве. Возьмите общий удельный вес по определению, указанному в главе «Гомогенизация грунта», и необходимое количество стабилизатора для расчета необходимого количества стабилизатора или раствора стабилизатора. Сухой стабилизатор, взятый для сухого смешивания, или раствор стабилизатора, взятый при влажном смешивании, добавляется в грунт, находящийся в смесителе. Грунт и стабилизатор смешиваются до тех пор, пока вся масса не станет однородной. При работе с волокнистым торфом ограничьте время смешивания для предотвращения разрушения структуры волокон. При необходимости, вручную подтолкните налипший грунт в центр смесительного бачка. Зафиксируйте время, потраченное на смешивание. Извлеките два небольших образца и определить содержание воды в них. Не допускайте высушивания смешанного грунта до его применения для создания опытного образца. Для проведения сравнительных испытаний полученных грунтов в одной лаборатории, необходимо выдерживать одинаковое время смешивания (различные стабилизаторы и дозировки). Примечание. Различия в свойствах грунтов и стабилизаторов, а также в смесительных установках, делают невозможным определение фиксированной продолжительности смешивания. Наиболее надежным способом определения достижения однородности является визуальная оценка. Тем не менее, по мере возможности необходимо придерживаться продолжительности смешивания, составляющей 5 минут. Уплотнение смешанного грунта в форме Уплотнение следует производить сразу после смешивания. Период времени от смешивания до получения готового образца должен быть достаточно коротким. Вся масса смешанного грунта должна быть использована для формирования образцов в течение 30 минут после смешивания. Если необходимо сделать множество образцов с одинаковыми дозировками, рекомендуется разделить их на две или три партии. При использовании разъемной формы зажмите ее или поместите ее в плотную толстостенную трубку для предотвращения распирания формы в процессе уплотнения грунта. Засыпьте в форму слой смешанного грунта толщиной примерно 25 мм (отношение ширины к длине составляет 0.5 в случае различных диаметров образцов), выровняйте и разровняйте его при помощи вилки. Удалите все пузырьки жидкости или воздуха. Уплотнять слой следует при помощи трамбовочного приспособления. Три раза приложите давление примерно 100 кПа длительностью около 2 секунд, при этом каждый раз наклоняя штамп относительно стенки формы и стержня примерно под углом 10 - 15° и проворачивая его на 120° по окружности формы. Сделайте еще три нажатия, однако теперь стержень держите вертикально и вращайте его на 60° по сравнению с первыми сериями нажатий. Вилкой слегка разрыхлите поверхность и засыпьте второй слой смешанного грунта, по толщине примерно равный первому слою. Повторите процедуру уплотнения. Продолжайте засыпать и утрамбовывать слои смешанного грунта, пока их не будет 4 (для форм длиной более 100 мм может потребоваться 5 или 6 слоев). 47 примерно равной толщины до уровня, слегка выступающего за верхнюю кромку формы, затем снимите излишний материал над кромкой, оставив при этом верхнюю поверхность абсолютно ровной. Если форма имеет длину более 100 мм, в нее необходимо будет засыпать более 4 слоев грунта. В качестве альтернативы, уплотнение можно выполнить при помощи пресса, откалиброванного так, чтобы прилагалось давление 100 кПа. Если необходимо выполнить такие же действия, что и при ручном уплотнении, под штампом можно закрепить металлическую пластину с наклонным основанием для первых 3 нажимов для каждого слоя. Примечание Некоторые виды торфа с высоким содержанием воды могут стать очень рыхлыми и жидкими после смешивания со стабилизатором. Такие материалы утрамбовывать не требуется, достаточно просто влить их в форму. Примечание Наклон штампа позволяет усилить перемещающее действие и предотвратить налипание в случае работы с вязкими глинами. При необходимости, вторые 3 нажима также можно выполнить с наклонным штампом. Хранение Температура хранения должна быть указана в заявке, переданной в лабораторию. Как правило, образцы выдерживаются и хранятся в герметичных трубках при температуре 18 - 22 °C. Примечание Выбранная температура повлияет на скорость наращивания прочности. Примечание Как правило, в процессе выдержки и хранения нагрузка не прилагается. Прочность стабилизированного грунта обычно наращивается при приложении нагрузки в процессе выдержки. В частности, это касается поверхностных слоев торфа с высоким содержанием воды при его стабилизации массивом, когда к нему необходимо приложить нагрузку как можно скорее после стабилизации. Для стабилизации массивом существует ряд специфических методик (см. п. 6.4.3). Извлечение образца из формы После заданного периода выдержки отметьте высоту образца относительно торцов формы и проверьте шероховатость торцевой поверхности образца. Извлечение образцов из формы следует производить с минимальным нарушением его структуры. Например, при использовании разъемных форм снимите пленку с канавки и раздвиньте форму, чтобы извлечь образец. При использовании картонных форм просто срежьте картон. Примечание Излишние усилия при извлечении образца могут привести к его разрешению. Обработка торцов образца Подготовка торцов образца необходимо только в тех случаях, когда верхний торец стал шероховатым в процессе выдержки: срежьте небольшой слой с верхнего торца образца для получения ровной поверхности, перпендикулярной ее продольной оси. В качестве альтернативы, при выполнении испытаний на неограниченное сжатие или трехосных бездренажных испытаний без уплотнения, допускается выровнять верхнюю поверхность тонким слоем гипса. Примечание При использовании специального режущего оборудования, например, пилы с алмазным полотном, разрушение структуры образца будет минимальным и вы сможете получить перпендикулярные и ровные срезы. Подготовка отчета Условия подготовки образца должны быть изложены в подробном отчете, который должен отражать следующее: Классификация грунта, если была определена Происхождение и количество грунта Извлечение из грунта отдельных крупных частиц, и т.д. Технические характеристики смесителя и применяемой смесительной установки, мощность, скорость вращения, время смешивания, условия и время хранения Содержание воды в гомогенизированном грунте Выбранный диаметр образца Химические и физические свойства каждого материала в составе стабилизатора, как указано его производителем или поставщиком: - состав (м/м): как минимум CaO, SiO2 , Al2O3 , Fe2O3 , MgO, K2O , Na2O , SO3 - (для негашеной извести укажите общий и активный CaO) - Реакционная способность - Удельная площадь поверхности (число Блейна) - Плотность - Гранулометрический состав 48 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов - Количество стабилизатора и пропорции стабилизаторов, если применимо Технические характеристики смесителя грунта/стабилизатора, а также используемой смесительной установки, мощность, скорость вращения, время смешивания, условия и время хранения Тип используемых форм При использовании трамбовочного пресса: описание трамбовочного пресса: диаметр и геометрия штампа, прилагаемое давление Объемная плотность и содержание воды в смешанном грунте/стабилизаторе после смешивания Температура хранения и отклонения от нее в процессе выдержки В отношении образцов указывается следующая информация: Объемная плотность после утрамбовки и обрезания в форме Высота образца относительно верхней кромки формы после выдержки Неровность верхнего торца образца после выдержки Любые сложности в извлечении образца из формы после выдержки Любые отклонения от нормы в образце, например, видимые отверстия и крупные полости, либо нижний торец не плоский и не перпендикулярный продольной оси Обработка поверхности верхнего торца перед проведением испытаний Обрезался ли верхний торец и высота образца после обрезания Объемная плотность после извлечения из формы 6.4.3 Лабораторная методика работы с испытательными образцами (стабилизация массивом) Общая информация Здесь описан порядок лабораторной подготовки образцов грунта, стабилизированного путем смешивания с известью и/или материалами на основе цемента для исследования стабилизации массивом. Основное внимание уделяется слабым грунтам, которые могут включать в себя органические вещества в различной степени их содержания: органическая глина, сапропель или торф. Материалом для стабилизатора может быть цемент (например, портландцемент или шлакопортландцемент), либо смесь цемента с присадками, такими как земляной гранулированный доменный шлак, гипс, известь или зольная пыль. Такие образцы используются для изучения свойств стабилизированного грунта, например, посредством испытаний на неограниченное сжатие или трехосных испытаний. При глубинном смешивании (колонны) необходимо выполнить различные процедуры для лабораторной подготовки образцов стабилизированного грунта, см. 6.4.2. Важность и использование результатов Описываемая здесь методика относительно проста и позволяет получить образцы стабилизированного грунта, применимые для определения прочности и жесткости посредством лабораторных испытаний цилиндрических образцов на прочность, например, испытания на неограниченное сжатие, различные виды трехосных испытаний и испытания на прямой сдвиг. Другие свойства, такие как проницаемость, физическая, химическая устойчивость и сжимаемость также можно определить на основании таких образцов. Данная методика позволяет получить образцы, которые в последующем можно использовать для определения типа стабилизатора и дозировки для проектов со стабилизацией массивом. Однако образцы, полученные по данной методике, не отражают в полной мере структуру грунта, стабилизированного на месте с использованием общепринятых методов стабилизации массивом. Условия смешивания и выдержки в лабораторных условиях значительно отличаются от полевых условий, и, как следствие, лабораторная прочность и жесткость, определенные для образцов, подготовленных по данной методике, скорее всего будут отличаться от значений, полученных в полевых условиях. Тем не менее, при разработке проекта по глубинному смешиванию будет целесообразным выполнить сравнительное лабораторное исследование свойств различных образцов, подготовленных с использованием различных материалов стабилизатора с различными дозировками и после различных периодов выдержки, зачастую такое исследование даже необходимо. Кроме того, можно выработать эмпирические правила для учета различий в, например, прочности и жесткости между материалом, стабилизированным в полевых и в лабораторных условиях. Необходимо произвести целый ряд испытательных уплотнений до или в начале фактической реализации проекта. На основании полученных результатов лабораторной программы можно получить несколько комбинаций стабилизаторов и их дозировок, а сами результаты использовать для окончательного выбора и определения инженерных свойств для их использования в окончательной версии проекта. Описываемая методика не дает руководства по количеству испытаний, которые необходимо выполнить, а также по количеству переменных (например, различные стабилизаторы, дозировки, продолжительность периода выдержки, и т.д.), которые необходимо протестировать. Эти вопросы следует внимательно спланировать при подготовке лабораторного исследования. Материалы и оборудование Грунт 49 Грунт берется с исследуемого участка. Его можно получить при помощи стандартных устройств для взятия проб грунта, таких как трубчатый и поршневой пробоотборники, либо пробоотборник Делфт непрерывного действия. Извлеченный змеевиком керн можно использовать в том случае, если можно доказать, что смешивание различных слоев грунта осуществляется в допустимых пределах. Змеевики большого диаметра (>20 см) имеют одно преимущество, заключающееся в возможности сбора большого количества грунта, в то время как рассматриваемые нами слабые грунты обычно легко пробиваются ими насквозь. Стабилизатор Стабилизаторы – это материалы, обладающие гидравлическими свойствами, такие как портландцемент, шлакопортландцемент, земной гранулированный доменный шлак, зольная пыль, гашеная или негашеная известь, и гипс (безводный, полугидратированный или дигидратированный). Стабилизатор, используемый для лабораторного приготовления образцов, должен включать в себя все материалы, которые будут применяться на месте, а хранить его следует так, чтобы его свойства не были нарушены под воздействием влаги или влажного воздуха или слишком высоких температур. Если материалы стабилизатора хранились в течение длительного периода времени, перед применением необходимо проверить их реакционную способность. Стабилизатор может представлять собой смесь двух или более стабилизирующих материалов. Наполнители, такие как песок, кремнеземная пыль, и т.д., также можно добавлять в такие смеси. Некоторые стабилизаторы, особенно негашеная известь, обладают каустическими свойствами, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать все установленные меры предосторожности. Оборудование Смесительная установка достаточной емкости для смешивания грунта в ходе выполнения всей программы испытаний (обычно 20-50 литров). Смесительная установка достаточной емкости для смешивания какого-либо объема грунта с одним вяжущим материалом Смесительный бак Весы с точностью взвешивания до 0,1 г и с диапазоном взвешиваний до 2 кг Цилиндрические формы для испытательных образцов. Размер формы: внутренний диаметр 68 мм, высота 200-300 мм. В данном случае испытательные образцы будут достаточно полно отражать структуру торфа. В среднем, испытательные образцы имеют вес около 0,6-0,9 кг Нагрузочные штампы, например, оборудованные пластиковыми нагрузочными колпачками, для направления нагрузки на верхнюю часть испытательного образца. Нагрузочные штампы весят около 6,5 кг. Диаметр нагрузочного штампа должен быть на 2-3 мм меньше диаметра формы Фильтрационный камень в нижней части формы Фильтр для укладки поверх испытательного образца (под нагрузочный штамп) Нагрузочный штатив для фиксации образцов под нагрузкой в вертикальном положении Емкость с водой для имитации влажных условий в ходе приложения нагрузки Пористый мат в емкости с водой Вилка: кухонная вилка, зубцы которой можно согнуть под необходимым углом и длиной примерно 15 мм. В процессе хранения образца необходимо обеспечить доступ к нему воды как сверху, так и снизу. Торцы цилиндрических форм должны быть ровными и перпендикулярными продольной оси. Порядок подготовки и хранения Гомогенизация грунта Примечание Более подробные сведения о методах подготовки грунта, таких как тип смесительной установки и смесителя, питание, скорость вращения смесительной установки, продолжительность смешивания, и т.д., здесь не приводятся, однако выбирать их следует на основе местного опыта работы с конкретным грунтом и имеющимся оборудованием. Классификация грунта на раннем этапе поможет вам сделать правильный выбор. Для этого необходимо определить общий удельный вес, содержание воды, содержание органических веществ, степень гумификации, гранулометрический состав и максимальные длины волокон. Например, крупноволокнистый торф может потребовать применения различных видов обработок по сравнению со слабоорганической илистой глиной. Гомогенизация грунта выполняется в следующем порядке: Количество грунта, достаточное для подготовки необходимого количества образцов стабилизированного грунта, помещается в смеситель. Если такое количество грунта превышает емкость смесителя необходимо воспользоваться более крупным смесителем. Запрещается смешивать один тип грунта несколькими партиями. По возможно, извлеките из грунта отдельные корни, крупные волокна и крупнозернистые материалы. Смешивайте грунт до тех пор, пока он не станет однородным. При работе с волокнистым торфом ограничьте время смешивания для предотвращения разрушения волокон. Зафиксируйте время, затраченное на смешивание. Возьмите два небольших образца, определите их общий удельный вес и содержание воды. 50 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов В качестве альтернативы удельный вес можно определить на основе знаний в конкретной области и на определенную глубину, предпочтительно по результатам исследования образцов с ненарушенной структурой. Выбор диаметра образца Выберите диаметр образца в зависимости от размера зерен смешиваемого грунта. В большинстве случаев 68 мм вполне достаточно. Образцы более крупного диаметра следует использовать только в том случае, если грунт содержит множество крупнозернистых частиц или волокон. Подготовка стабилизатора При использовании стабилизатора, содержащего два или более материала, смешивать их следует в необходимых пропорциях и в количестве, достаточном для выполнения всех необходимых испытаний. Смешивание грунта со стабилизатором Поместите в смеситель объем грунта, достаточный для приготовления необходимого количества образцов стабилизированного грунта, взятых из конкретного типа грунта, и стабилизатора, взятого в необходимом количестве. Каждую смесь следует параллельно тестировать на 2 испытательных образцах. Возьмите общий удельный вес по определению, указанному в главе «Гомогенизация грунта», и необходимое количество стабилизатора для расчета необходимого количества стабилизатора. Количество вяжущего материала дается (в виде кг/м3) по влажной массе торфа. Например: - Плотность торфа - 1000 кг/м3; Установленное количество вяжущего материала - 150 кг/м3; 150 г вяжущего материала необходимо на каждые 1000 г торфа. Стабилизатор добавляется в грунт в смесителе. Грунт и стабилизатор смешиваются до тех пор, пока масса не станет однородной, обычно для этого требуется 2-5 минут. Зафиксируйте время, затраченное на смешивание. Для проведения сравнительных испытаний полученных выдерживать одинаковое время смешивания. грунтов в одной лаборатории, необходимо Примечание. Различия в свойствах грунтов и стабилизаторов, а также в смесительных установках, делают невозможным определение фиксированной продолжительности смешивания. Наиболее надежным способом определения достижения однородности является визуальная оценка. Тем не менее, по мере возможности необходимо придерживаться продолжительности смешивания, составляющей 5 минут. Уплотнение смешанного грунта в форме Уплотнение следует производить сразу после смешивания. Период времени от смешивания до получения готового образца должен быть достаточно коротким. Вся масса смешанного грунта должна быть использована для формирования образцов в течение 30 минут после смешивания. Если необходимо сделать множество образцов с одинаковыми дозировками, рекомендуется разделить их на две или три партии. - - Поместите фильтрационный камень на дно формы и оберните нижнюю часть формы сетчатой тканью. Если смесь материалов окажется жидкой, уплотнение не требуется. Стабилизированную массу можно просто влить или заложить в форму и разровнять. В том случае, если смесь окажется твердой, утрамбовывать в форме ее следует 5-6 слоями. На границах уплотнения слои необходимо разрыхлять или «прикреплять друг к другу» (например, при помощи вилки). Определите объемную плотность утрамбованных испытательных образцов перед приложением нагрузки (а затем и после приложения нагрузки). При необходимости, можно определить содержание воды. Хранение/приложение нагрузки Рекомендуется выполнять следующую процедуру: 1. После уплотнения установите фильтр в форме поверх испытательного образца 2. Вертикально установите формы в штативе, на пористом мате в емкости с водой – испытательный образец должен оставаться влажным в процессе приложения нагрузки. 3. Поместите нагрузочный штамп поверх образца. Магнитуду нагрузки следует определить при подготовке испытания. Например, если необходимая нагрузка должна соответствовать насыпи высотой 1 метр (18 кПа) в полевых условиях, то нагрузка на испытательный образец должна быть 6,5 кг (если диаметр образца составляет 68 мм). 51 4. 5. Температура хранения должна быть указана в заявке, переданной в лабораторию. Как правило, образцы выдерживаются и хранятся в герметичных трубках при температуре 18 - 22 °C. Сжатие испытательного образца измеряется сразу после начала (5 секунд) испытаний под нагрузкой. После этого сжатие измеряется по истечении 1 дня, 3 дней … и т.д. до тех пор, пока сжатие не перестанет изменяться. Извлечение образца из формы После заданного периода выдержки отметьте высоту образца относительно торцов формы и проверьте шероховатость торцевой поверхности образца. Извлечение образцов из формы следует производить с минимальным нарушением его структуры. Определите объемную плотность сжатых испытательных образцов по истечении заданного периода выдержки под нагрузкой. Обработка торцов образца Подготовка торцов образца необходимо только в тех случаях, когда верхний торец стал шероховатым в процессе выдержки: срежьте небольшой слой с верхнего торца образца для получения ровной поверхности, перпендикулярной ее продольной оси. В качестве альтернативы, при выполнении испытаний на неограниченное сжатие или трехосных бездренажных испытаний без уплотнения, допускается выровнять верхнюю поверхность тонким слоем гипса. Примечание При использовании специального режущего оборудования, например, пилы с алмазным полотном, разрушение структуры образца будет минимальным и вы сможете получить перпендикулярные и ровные срезы. Подготовка отчета Условия подготовки образца должны быть изложены в подробном отчете, который должен отражать следующее: Классификация грунта, если была определена Происхождение и количество грунта Извлечение из грунта отдельных крупных частиц, и т.д. Технические характеристики смесителя и применяемой смесительной установки, мощность, скорость вращения, время смешивания, условия и время хранения Содержание воды в гомогенизированном грунте Выбранный диаметр образца Химические и физические свойства каждого материала в составе стабилизатора, как указано его производителем или поставщиком: - состав (м/м): как минимум CaO, SiO2 , Al2O3 , Fe2O3 , MgO, K2O , Na2O , SO3 - (для негашеной извести укажите общий и активный CaO) - Реакционная способность - Удельная площадь поверхности (число Блейна) - Плотность - Гранулометрический состав Количество стабилизатора и пропорции стабилизаторов, если применимо Технические характеристики смесителя грунта/стабилизатора, а также используемой смесительной установки, мощность, скорость вращения, время смешивания, условия и время хранения Тип используемых форм При использовании трамбовочного пресса: описание трамбовочного пресса: диаметр и геометрия штампа, прилагаемое давление Объемная плотность и содержание воды в смешанном грунте/стабилизаторе после смешивания Температура хранения и отклонения от нее в процессе выдержки В отношении образцов указывается следующая информация: Объемная плотность после утрамбовки и обрезания в форме Высота образца относительно верхней кромки формы после выдержки Неровность верхнего торца образца после выдержки Любые сложности в извлечении образца из формы после выдержки Любые отклонения от нормы в образце, например, видимые отверстия и крупные полости, либо нижний торец не плоский и не перпендикулярный продольной оси Обработка поверхности верхнего торца перед проведением испытаний Обрезался ли верхний торец и высота образца после обрезания Объемная плотность после извлечения из формы Сжатие в процессе выдержки 52 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 6.4.4 Методы проведения испытаний Для большинства испытаний, проводимых над образцами, подготовленными в соответствии с п.п. 6.4.2 и 6.4.3, применяются следующие документы ETC5: - ETC5-E2.97 Лабораторный метод определения прочности при неограниченном сжатии: Испытания на неограниченное сжатие для связных грунтов - ETC5-E3.97 Лабораторный метод определения предела прочности при сдвиге без дренажа: Трехосное испытание без уплотнения и без дренажа - ETC5-F1.97 Испытания на напряжение-деформацию: Методы проведения трехосных испытаний на сжатие с уплотнением для водонасыщенных грунтов - (ETC5-F2.97 Лабораторные методы проведения испытаний на прямой сдвиг) - ETC5-G1.97 Испытания на проницаемость: Определение проницаемости грунта по постоянному и ниспадающему напору - ETC5-D1.97 Испытания на сжимаемость: Испытания оедометром ступенчатого нагружения и испытания CRS 6.4.5 Оценка полученных результатов Оценка результатов программы разработки смесей в лабораторных условиях обычно ограничивается определением предела прочности на неограниченное сжатие qu , жесткости E и проницаемости k. Стандартная кривая напряжения-деформации по результатам испытаний на неограниченное сжатие показана на рис. 6.5. Предел прочности при сжатии qu берется равным максимальному значению при P, определенном в ходе испытаний на неограниченное сжатие или трехосных испытаниях без дренажа. Жесткость E берется из части кривой, показывающей состояние перед разрушением. Зачастую начальная деформация включает в себя деформацию основания; на рисунке показано, как это можно устранить. Как правило, величина жесткости, определяемая по результатам испытания на неограниченное (относительные значения) или трехосных испытаний, равна величине E50 при напряжении, равном 50% (точка C) от разрушающего напряжения. торф – стабилизатор B - 200 кг/м3 - 90 дней AB: обратная экстраполяция εbe = корректировка ошибки основания σC = 0.5 σP E50 = σC / (εC - εbe) Рис. 6.5. Оценка результатов испытаний на неограниченное сжатие. Ошибка основания εbe определяется путем экстраполяции части кривой ниже начальной деформации основания и линейного возврата обратно в горизонтальную ось. Это позволяет получить точку B, в которой измеряется жесткость. При разработке проектов по стабилизации грунтов жесткость E50 обычно определяется по корреляции со значением прочности при неограниченном сжатии qu, предпочтительно полученной по результатам трехосных испытаний без дренажа. Существует относительно линейная зависимость между E50 и прочностью. Полученные значения E50 находятся в диапазоне от 100 раз до 200 раз. 53 На рис. 6.6 показана такая корреляция для двух проектов, включающих различные грунты, различные стабилизаторы и их дозировки. ♦ Органическая глина из Гревендил x Торф из Абкуды Различные стабилизаторы, дозировки и время выдержки various stabilizers, dosages and curing periods Рис. 6.6. Корреляция между E50 и прочностью при неограниченном сжатии. Зачастую будет полезно составить кривую изменения прочности qu относительно дозировки конкретного стабилизатора и грунта. На рисунке ниже показано существование предельной дозировки, ниже которой наращивание прочности будет скорее всего незначительным. Другими словами: каждый дополнительный килограмм стабилизатора свыше предельной дозировки дает непропорционально высокий прирост приобретаемой прочности. На рис. 6.7 такая предельная дозировка составляет примерно 100 кг стабилизатора на каждый м3 грунта. Если это утверждение верно в отношении лабораторных образцов, которые находились в идеальных условиях смешивания и выдержки, то маловероятным становится тот факт, что дозировки ниже предельного уровня в полевых условиях окажутся очень эффективными, однако из-за неравномерного смешивания высокие прочности в колонне могут быть достигнуты. Прочность, приобретенная за 28 дней относительно дозировки в грунтах Нидерландов, стабилизатор F дозировка кг/м3 Рис. 6.7. Корреляция между E50 и прочностью при неограниченном сжатии. 54 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Еще один пример влияния количества вяжущего материала показан на рис. 6.8, на котором вы видите влияние количества вяжущего материала при стабилизации торфа с использованием гранулированного шлака в качестве вяжущего материала. Торф Гранулированный шлак Количество, кг/м3 Рис. 6.8. Влияние количества вяжущего материала на прочность при неограниченном сжатии. Проницаемость стабилизированного грунта лучше всего определять по результатам испытаний на проницаемость. При определении по результатам испытаний оедометром по обычной методике с применением интерпретации Тейлора или Касагранде для основной части кривой усадки будет получено несколько иное значения проницаемости из-за низшей степени насыщения. Трехосные испытания уплотненного стабилизированного грунта без дренажа следует использовать для определения фактических параметров прочности, таких как φ΄ and c΄. По результатам трехосных испытаний без дренажа можно определить прирост прочности колонн по мере увеличения глубины. Зачастую такие испытания показывают тенденцию развития избыточного порового давления, практически равного фактическому давлению в ячейке (то есть давление в ячейке относительно обратного давления). После этого фактические напряжения стремятся к нулю в горизонтальном направлении, при этом образец обычно падает. Иногда, как показано на рис. 6.9 (кривая самого низкого давления уплотнения), сжатие и затвердевание продолжаются в течение небольшого периода при практически нулевом горизонтальном фактическом напряжении. В данных условиях φ΄ невозможно определить по результатам испытаний без дренажа – он повернется на 90°! Такое поведение может достаточно хорошо показать фактическое поведение в полевых условиях, поэтому данный фактор необходимо учитывать при расчете прочности колонны. Во всех оценках лабораторных испытаний следует помнить о том, что образцы стабилизированного грунта, приготовленные в лабораторных условиях, скорее всего будут показывать очень различные поведения по сравнению со стабилизированным грунтом в полевых условиях. Общая прочность стабилизированной органической глины и торфа зачастую значительно ниже в полевых условиях по сравнению с образцами, приготовленными в лабораторных условиях. Она отличается от ситуации с неорганическими слабыми глинами, когда прочность в полевых условиях иногда превышает лабораторные значения. Проницаемость стабилизированных органических грунтов и торфа оказалась ниже у лабораторных образцов по сравнению с керном, взятым из колонн, в противном же случае такое соотношение едва ли будет известно. 55 Линия прекращения напряжения Рис. 6.9. Трехосное испытание стабилизированного грунта. 6.5 Полевые испытания 6.5.1 Разработка программы испытаний Основными задачами установки испытательных колонн или испытательных объемов при стабилизации массивом являются проведение испытаний для определения свойств грунтов в полевых условиях и на основании полученных результатов принятие окончательного решения о выборе типа и количества вяжущего материала и строительной технологии. Важными аспектами для принятия такого решения являются: Прочность стабилизированного грунта и ее наращивание с течением времени Жесткость стабилизированного грунта и ее наращивание с течением времени Однородность стабилизированного грунта Воздействие стабилизированного грунта на окружающую среду Нагрузка, которую должны выдерживать колонны в заданном промежутке времени (выдержки) Стоимость вяжущего материала Общестроительные расходы При принятии окончательного решения следует также помнить о том, что, как было указано в главе 4, слишком высокая прочность и жесткость колонн не всегда желательны, поскольку базовая концепция проектирования заключается в том, что стабилизированный и нестабилизированный грунты всегда будут взаимодействовать между собой. Необходимо испытать определенное количество колонн с одинаковым составом и технологией установки для получения достаточного количества информации, подтверждающей полученные результаты. Если предполагается возвести автодорожную или железнодорожную насыпь или иную подобную конструкцию может также потребоваться выполнить полевые испытания в нескольких местах из-за изменчивого профиля грунтов и иных геологических условий. Очевидно, что для изучения всех вышеуказанных аспектов потребуется установить достаточно большое количество испытательных колонн. В связи с этим, объем программы испытаний зависит от типа и масштаба проекта. Ниже приведены общие рекомендации по объему испытаний для определения механических свойств колонн: Испытаниями должна охватываться вся длина испытательных колонн. Свойства стабилизированного грунта будут меняться в зависимости от различных типов (слоев) грунтов. Испытания испытательных колонн особого состава и технологии установки предпочтительно проводить с периодом(ми) выдержки, соответствующим периоду(ам), в течение которого колонна должна выдержать определенную нагрузку(и). Для оценки отношения прочность-время испытания следует проводить не менее чем с двумя различными периодами выдержки, а результаты объединять с результатами, полученными в ходе лабораторных исследований. Общепринятые периоды выдержки в ходе проведения испытаний составляют 7, 14, 28, 56 и 90 дней. Для испытательных колонн особого состава, технологии установки и периода выдержки необходимо испытать как минимум 5 колонн для получения максимально точных результатов. 56 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов До фактического выполнения процесса стабилизации необходимо испытать некоторое количество колонн для производственного контроля, см. главу 9. Объем такой программы испытаний зависит от типа и масштаба проекта. Количество испытательных колонн должно быть не менее 0,5% от общего количества колонн, устанавливаемых по проекту (для крупномасштабных проектов), и не менее 1,5% для небольших проектов. Ниже приведены общие рекомендации по объему испытаний для определения экологических аспектов: Испытания на выщелачивание в сочетании с мониторингом грунтовых вод рекомендуются для оценки пригодности стабилизируемого объекта с точки зрения экологии, если результаты предыдущего использования фактического вяжущего материала в фактических грунтовых условиях недостаточны. Испытания должны включать в себя измерения параметров грунтовых вод, которые являются характеристическими для вяжущего материала(ов), такие как величина pH и электропроводимость на уклоне от стабилизируемого участка. Это позволяет определить скорость транспортировки и распространения участка, подвергаемого стабилизации. Для того, чтобы состав грунтовых вод позволил определить долгосрочное качество выщелачивания, необходимо выполнить отбор образцов потенциально опасных элементов по истечении не менее 90 дней, поскольку качество выщелачивания быстро изменяется на начальных этапах выдержки. Как правило, рекомендуется, чтобы химические и экологические испытания грунта и смесей грунта и вяжущего материала проводились над полевыми образцами в лабораторных условиях. 6.5.2 Методики проведения испытаний Механические свойства стабилизированных грунтов можно проверить на месте при помощи различных методов пенетрационных испытаний. Также можно выполнить отбор образцов с использованием кернового бурения, а полученные образцы исследовать в лаборатории. Визуальную проверку однородности колонны можно выполнить бурением шурфа, возможно даже для отбора образцов для лабораторных исследований химического состава, например. Извлечение колонн, последующий осмотр и испытания также могут выполняться с использованием крупноразмерных разъемных керноприемных гильз. Наиболее общей процедурой является проверка механических свойств с использованием пенетрационных испытаний. Для этого необходимо воспользоваться специально разработанным пенетрометром, см. главу 7. Введение можно выполнять как по направлению вниз, так и вверх. В последнем случае пенетрометр следует установить под колонной при помощи смесительного оборудования для колонн. Следует учитывать то, что введение по направлению вверх (испытания PORT) является наиболее эффективным методом тестирования колонн. Кроме того, можно выполнить испытания CPT, иногда в ступенчато пробуренном отверстии, поскольку конус CPT стремится отклониться от колонны, особенно если прочность существенно варьируется. Что касается испытаний на воздействие на окружающую среду, то отбор образцов грунта следует выполнять так, чтобы исходный состав грунта и его поровых вод не был нарушен. Испытания на проверку химических свойств в грунте имеют особую важность для прочности грунта или для определения необходимого количества вяжущего материала и должны включать в себя проверку содержания воды и органических веществ. Описание процедуры отбора образцов приведено в п. 6.5.3 ниже. 6.5.3 Порядок отбора образцов, хранения и химического анализа грунта, вяжущего материала и стабилизированного грунта Общая информация Данный раздел посвящен анализу химических свойств, имеющих особую важность для прочности грунта, долговечности и получения достаточной информации для экологической оценки в сравнении с исходным грунтом. Отбор образцов и хранение Образцы следует брать на участке строительства при помощи поршневого пробоотборника, а образцы (с пробоотборными трубками) следует поместить в двойные пластиковые мешки. После укладки образцов в такие мешки их необходимо промыть азотом. Образцы грунта следует хранить в таком виде, в каком они есть, то есть в пробоотборных трубках, до удаления из них поровой воды. Образцы, используемые для анализа грунта и исходной поровой воды, не должны быть старше нескольких недель. Смешивание грунта и вяжущего материала следует производить в течение короткого промежутка времени для минимизации количества кислорода, попадающего в образцы. После смешивания образцы следует поместить на хранение в холодном состоянии (5 – 10 oC) в течение не менее 90 дней. Это позволит обеспечить, чтобы гидратация вяжущего материала прекратилась и составные элементы поровой воды оставались неизменными с течением времени. Рекомендуется, чтобы образцы не контактировали с воздухом более получаса в процессе выполнения технических исследований для сохранения исходного химического состава образцов. Удаление поровой воды и последующий химический анализ следует начинать сразу после завершения таких исследований. 57 В любом случае необходимо обеспечить, чтобы химические и геотехнические свойства были одинаковыми для образцов из одного набора. Удаление поровой воды Удаление поровой воды производится при помощи оедометра или камеры трехосного сжатия. Также можно использовать и другие полевые системы для удаления поровой воды из исходного грунта, однако поскольку процедура для стабилизированного грунта в полевых условиях может дать непредставительные образцы, рекомендуется удалять поровую воду из лабораторных образцов стабилизированного грунта и из исходного грунта по одной и той же технологии. Поровую воду следует удалять из грунта и анализировать в том случае, если необходимо получить подробную информацию об экологических свойствах или если содержание хлоридов или органических веществ, таких как гуминовые кислоты в поровой воде, может привести к некачественной стабилизации. Если необходимо выполнить детальный экологический анализ, то необходимо принять соответствующие меры предосторожности для минимизации загрязнения образцов. Фильтрующий камень оедометра и/или фильтр камеры трехосного сжатия следует промыть азотной кислотой (HNO3), поместив фильтрующий материал в кислоту на одну ночь. Концентрация кислоты должны быть 0,1 M HNO3 или более, если материал устойчив к воздействию кислот. На следующий день фильтрующий материал следует промыть дистиллированной водой или водой равного качества, пока величина pH воды не станет нормальной (проверьте при помощи индикатора pH). После удаления поровой воды из исходного грунта или стабилизированного грунта вытекающая вода вступит в контакт с воздухом. Этого нельзя допускать. При работе с камерой трехосного сжатия можно воспользоваться каким-либо приспособлением, состоящим из трубки, по которой поровая вода будет подаваться через перфорированный колпачок. В процессе сбора воды емкость необходимо омывать азотом. И наконец, отобранную воду необходимо пропустить через фильтр с размером отверстий 0.45 μм. Такой размер чаще всего применяется для сепарации твердых и растворенных фаз. Анализ Поровая вода Необходимо проанализировать pH, хлориды, гуминовые кислоты/общее содержание органического углерода, концентрации микроэлементов (см. Примечание 1 ниже), а для органических грунтов еще и общее содержание азота. Грунт pH (измеряется электродом) анализ твердой фазы с концентрациями крупных и мелких частиц (см. Примечание 2 ниже) емкость ионного обмена Содержание сульфидов/общее содержание серы (может потребоваться дополнительное количество вяжущего материала) Испытания на общую пригодность к обработке и анализ выщелачивания в соответствии с (см. Примечание 1 ниже), а также хлоридов и общего содержания азота для органических грунтов. Стабилизированный грунт Величина pH (титрирование гидроксидов) Анализ твердой фазы с концентрациями крупных и мелких частиц (см. Примечание 2 ниже) Содержание сульфидов/общее содержание серы (может потребоваться дополнительное количество вяжущего материала) Испытания на общую пригодность к обработке и анализ выщелачивания в соответствии с (см. Примечание 1 ниже), а также хлоридов и общего содержания азота для органических грунтов. Если результаты анализа твердой фазы или испытаний на общую пригодность к обработке превышают требования национального законодательства или установленные предельные значения, необходимо выполнить другие испытания на выщелачивание. В зависимости от проницаемости материала можно также провести испытания колонны или испытания на диффузию. Испытания стабилизированного грунта на выщелачивание необходимо будет сравнить с выщелачиванием исходного грунта. Примечание 1 Анализ состава, включая основные элементы в поровой воде, такие как натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg), и включая общее содержание серы (S), а также микроэлементы, такие как Al, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, S, Zn. Примечание 2 Анализ состава с выявлением минералов в грунте: SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 K2O MgO MnO2 Na2O P2O5 TiO2, а также потери при прокалывании (LOI), дающей общую концентрацию органических веществ в грунте, а также микроэлементов: As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, La, Mo, Nb, Ni, Pb, Sc, Sn, Sr, V, W, Y, Yb, Zn, Zr. 58 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 6.5.4 Оценка результатов и рекомендации Общая информация Как правило, испытательные колонны устанавливаются на раннем этапе реализации проекта, поэтому машинное оборудование может быть настроенным не достаточно точно. Поэтому качество колонн может оказаться ниже, чем в процессе фактического строительства. С другой стороны, испытательные колонны могут устанавливаться с приложением дополнительных ресурсов и с особой тщательностью, поскольку результат испытаний имеет огромное значение для всего проекта. В этом случае качество колонн может оказаться выше, чем в процессе фактического строительства. Однако, при оценке результатов не следует забывать о том, что свойства колонн повышаются в период выдержки. Испытания на обратную пенетрацию и испытания на пенетрацию по направлению вниз: - Предел прочности стабилизированной колонны при сдвиге оценивается равным Nc= 10 - Как при 1/10 от чистого удельного сопротивления (после уменьшения трения троса) на специально разработанном пенетрометре - Ширина лопатки должна быть лишь немного меньше диаметра колонны при испытании колонн. Как правило, на 0.1 м меньше. - Скорость должна быть 20 мм/сек. - Проверьте, чтобы вес проводного счетчика прочности и тяговая мощность машинного оборудования были достаточными. - Для испытаний на обратную пенетрацию: проверьте, вставлен ли анкер примерно на 2 м ниже конца колонны для проведения испытаний на обратную пенетрацию, чтобы учесть трение троса при оценке свойств колонны. Вытяните трос (и анкер) примерно на 0.5 м в течение 2 дней выдержки для уменьшения трения троса. - Гравий и камни на рабочей платформе могут попасть в колонну в процессе ее установки. Если они будут обнаружены в процессе пенетрационного испытания, полученное сопротивление может оказаться равным сопротивлению вытягиванию/нажиму анкера и проведения гравия/гальки сквозь колонну, то есть будет определена слишком высокая прочность. - При пенетрационных испытаниях в направлении вниз щуп может выйти из колонны на более низких глубинах, особенно если колонна не однородна. В этом случае можно выполнить предварительное высверливание с использованием бура 57/64 или обсадной скважины 75 мм для задания направления пенетрометру. Пенетрационные испытания CPT: - Как правило, CPT очень полезен для испытания стабилизированных колонн, если средний предел прочности при сдвиге без дренажа составляет 50 - 1000 кПа. Из-за малого диаметра конуса (10 см2) интерпретация результатов должна производиться на основе большого количества испытаний CPT, минимум 10. Рекомендуется также сделать статистический анализ для расчета средней величины и стандартного отклонения от результатов на различных глубинах. Можно также использовать оборудование CPTU, однако в этом случае возникает опасность повреждения щупа при сгибе пенетрометра в неоднородных колоннах. - Щуп CPT может выйти из колонны на более низких глубинах. Однако в глубоких колоннах легче всего определить точную глубину при выходе щупа CPT из колонны. Благодаря этому становится возможным поднять стержни CPT и пробурить небольшую обсадную скважину (75 мм) до глубины, на которой щуп CPT вышел из колонны. После предварительного бурения выполнение CPT продолжается до того момента, когда щуп CPT снова выйдет из колонны. При необходимости, предварительное бурение можно повторить. Использование предварительного бурения и обсадной скважины можно испытать колонны глубиной до 20 м. - Коэффициент конуса для расчета qu равен Nc=10 - 13 - Предварительное бурение следует также использовать в том случае, если в верхней части колонн присутствуют гравий или галька. 59 Строительные работы 7. 7.1 Введение Выполнение глубинного смешивания грунта непосредственно на строительном участке может осуществляться либо колоннами, либо объемами смешанных масс грунта. Смешивание может выполняться как сухим, так и влажным методами, которые применяются в Европе, США и на Дальнем Востоке. При стабилизации массивом применяется сухой метод, как, например, в Финляндии и Швеции. В данной главе описывается порядок выполнения глубинного смешивания грунта, включающий в себя следующие виды работ: 1. 2. 3. 4. 5. Подготовка к выполнению работ по стабилизации: - мобилизация оборудования и материалов на участке, - место для хранения материалов, - временные работы для эффективной работы смесительного оборудования, - смешивание вяжущих материалов на участке, Смешивание грунта: - Смешивание колонн - Смешивание массы. Мониторинг и КИП: - Мониторинг процесса смешивания - Контроль доставки вяжущих материалов - Обобщение данных мониторинга Вопросы охраны окружающей среды Контроль качества: - Производственный контроль Испытания после завершения строительных работ 7.2 Подготовка к выполнению работ по стабилизации В нашем случае предполагается, что исследования грунта, лабораторные испытания и проектные работы по стабилизации, описанные в предыдущих главах, уже выполнены и что заказчик и местные органы власти согласовали план выполнения строительных работ. Перед подготовкой участка к выполнению работ по стабилизации необходимо проверить ряд вопросов. Несмотря на то, что все участки отличаются друг от друга в той или иной степени, во всех случаях необходимо предусматривать следующее: - Доступность стабилизируемого участка; Несущая способность почвы для установки смесительного оборудования; Препятствия на, под и над уровнем земли; Объекты вокруг участка, которые могут быть повреждены в ходе строительных работ. Кроме того, участок необходимо разметить так, чтобы работы по стабилизации не препятствовали выполнению других работ. Иногда это достаточно сложно сделать, поскольку стабилизационное оборудование очень тяжелое и требует значительного пространства для работы. Стабилизация может потребовать большего времени и расходов, чем предполагалось при ее подготовке, если возникнут накладки с другими строительными работами, например, с забивкой свай или строительством насыпей. Детальное и качественное планирование всего проекта помогут предотвратить такие затруднения. В частности, служба материально-технического обеспечения должна обеспечить хранение и бесперебойную доставку вяжущих материалов. Если место хранения вяжущих материалов будет находиться на удалении от стабилизируемого участка, это потребует больших временных затрат. Контейнеры для хранения должны быть легкодоступны как для транспортных средств, так и для смесительного оборудования. Существует вероятность того, что эти два требования окажутся невыполнимыми и вам придется найти какое-то компромиссное решение. В качестве альтернативы можно использовать насосы для откачки вяжущих материалов по гибкому трубопроводу, проложенному от бункеров до смесительной установки. 7.2.1 Доступность стабилизируемого участка Условия доступа на стабилизируемый участок необходимо оценить в отношении доставки оборудования и материалов. Места хранения и смешивания материалов должны находиться в таком месте, чтобы не затруднять перемещение стабилизационной установки либо из-за своей удаленности, либо из-за нахождения на стабилизируемом участке. Данный вопрос иногда вызывает затруднения на длинных узких участках, например, при расширении автодороги или железной дороги. 60 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 7.2.2 Несущая способность почвы для установки смесительного оборудования Машинное оборудование и стабилизационная установка достаточно тяжелые (50-80 тонн) и высокие (до 20 м). В связи с этим, почва, на которой они будут работать, должна обеспечивать высокую устойчивость. Поскольку нам необходимо стабилизировать грунт на строительном участке, это говорит о том, что такой грунт не очень прочный, поэтому для обеспечения устойчивой рабочей поверхности обычно используют покровный гранулированный материал, который раскатывают на ровной рабочей платформе. Такая рабочая платформа позволяет распределить нагрузку от оборудования и тем самым уменьшить несущее давление. Как правило, рабочую платформу устанавливают на слой геотекстильного материала для предотвращения вдавливания гранулированного материала в грунт. Благодаря тому, что стабилизация производится с рабочей платформы, можно объединить ее и геотекстильный материал в проекте последующей конструкции. При выборе геотекстильного материала необходимо учитывать то, что он может быть проколот смесительной установкой и его использование в составе последующей конструкции может оказаться невозможным. 7.2.3 Препятствия на, под и над уровнем земли Препятствия, не позволяющие выполнять строительные работы, могут иметь совершенно разные формы, однако основными являются линии электропередач, ограничивающие работу стабилизационной установки, а также старые или действующие подземные конструкции (туннели, дренажные трубы, трубопроводы или старые фундаменты). Тем не менее, все препятствия необходимо выявить на этапе исследования участка. 7.2.4 Объекты вокруг участка, которые могут быть повреждены в ходе строительных работ Особое внимание следует уделить влиянию процесса смешивания грунта на окружающие участки. Например, под воздействием ветра может произойти выдувание вяжущих материалов, находящихся в порошкообразном состоянии, что приведет к уничтожению урожая, или при использовании извести в качестве вяжущего материала – к причинению вреда здоровью людей. Если на соседних участках имеются крутые склоны, смешивание грунтов может привести к ухудшению их устойчивости и затвердеванию смешанного грунта в его самом слабом состоянии. Вздувание почвы может стать серьезной проблемой при использовании некоторых смесей, в которых присутствует до 50% добавленного объема, при этом прочность соседнего участка также будет нарушена. Размер вздувания почвы можно контролировать при помощи рвов вокруг стабилизируемого участка, замедления скорости смешивания и/или изменения последовательности выполнения работ. 7.3 Смешивание грунта Смешивание грунта выполняется путем смешивания вяжущих материалов, находящихся либо в порошкообразном состоянии (для сухого смешивания), либо в сжиженном состоянии (влажное смешивание). Глубинное смешивание обычно выполняется путем смешивания в колоннах и поверхностного смешивания (глубиной до 3 м), то есть смешиванием массива. 7.3.1 Стандартная смесительная установка и иные требования Здесь описывается стандартная смесительная установка и порядок ее применения в процессе строительства и стабилизации. Глубинное смешивание грунта – сухой метод На рис. 7.1a показана стандартная смесительная установка для сухого глубинного смешивания с размещением вяжущего материала в бункере установки, с осушителем воздуха и компрессором для получения сжатого воздуха, необходимого для подачи вяжущего материала в смеситель. Другие конструкции предусматривают размещение бункера, осушителя воздуха и компрессора на отдельном самоходном шасси (см. рис. 7.1b). Такие шасси соединяются со смесительной установкой гибким шлангом, по которому подается вяжущий материал под воздействием сжатого воздуха, а также контрольная информация о смешивании вяжущего материала и скорости его подачи. Установки глубинного смешивания весят от 50 до 80 тонн и имеют выдвижные мачты с высотой подъема до 20 м. 61 Рис. 7.1a. Смесительная установка для глубинного сухого смешивания грунта с бункером, осушителем воздуха и компрессором. Рис. 7.1b. Смесительная установка для глубинного сухого смешивания грунта с отдельной машиной для бункера, осушителя воздуха и компрессора. 62 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Глубинное смешивание грунта – Влажный метод Оборудование для влажного глубинного смешивания грунта, показанное на рис. 7.2, включает в себя отдельные емкость для смешивания и расходную емкость, а также насос, присоединенный к установке глубинного смешивания посредством гибкого трубопровода. Смешивание осуществляется миксерами высокого сдвига для коллоидных растворов для обеспечения того, чтобы частицы каждого вяжущего материала рассеивались по раствору. Расходные емкости оборудованы лопастными мешалками для предотвращения застывания раствора. Установка глубинного смешивания имеет практически такие же размеры, что и установки, используемые для сухого смешивания. Рис. 7.2 (a) Установка глубинного влажного смешивания с (b) отдельными емкостью смешивания, расходной емкостью и насосом. 63 Смешивание массивом Оборудование для смешивания массивом, показанное на рис. 7.3, обычно прилагается к манипулятору гусеничного экскаватора вместо экскаваторного ковша. Вяжущий материал подается из отдельной установки, в которой смонтированы бункер, компрессор, осушитель воздуха и оборудование для контроля подачи материала. Установка для смешивания массивом обычно весит около 20 тонн и имеет высоту до 7 м. Рис. 7.3. Вверху: оборудование для смешивания грунта массивом; внизу: смесительный рукав и смесительное приспособление на поверхности земли 64 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Смесительные приспособления Рис. 7.4. Смесительные приспособления для глубинного сухого смешивания Стандартные смесительные приспособления, используемые для глубинного сухого смешивания, показаны на рис. 7.4; как правило, они имеют одну форсунку для подачи вяжущего материала, горизонтального и изогнутого или коленчатого ножа. Эти приспособления могут различаться по размеру, но предназначены для одной цели – создание смешанных колонн диаметром 500-800 мм. Рис. 7.5. Смесительные приспособления для глубинного влажного смешивания. На рис. 7.5 показаны стандартные приспособления для влажного смешивания с одним или несколькими лезвиями и зубцами, а также одной или более форсунками для подачи вяжущего материала. Приспособления для влажного смешивания обычно имеют большой диаметр и, как следствие, более толстые лезвия с форсунками для подачи вяжущего материала, расположенными вдоль лезвий. Кроме того, такие приспособления различаются по размеру и позволяют создавать колонны диаметром до 2.4 м. 65 Рис. 7.6. Приспособление глубинного смешивания для смешивания сухой массы. Смесительные приспособления для смешивания массы (показаны на рис. 7.6) могут иметь диаметр до 800 мм и похожи на корабельный винт, однако форсунка для подачи вяжущего материала находится в середине. Смесительные приспособления постоянно развиваются и каждый подрядчик выбирает для себя именно ту конструкцию, которая будет максимально отвечать условиям выполнения его работ. 7.3.2 Производство вяжущего материала В блок-схеме на рис. 7.7 показан процесс, который проходят вяжущие материалы. В ней также показано, что для сухого смешивания все процессы между смешиванием материалов и до момента фактического применения вяжущего материала могут выполняться в одном или двух блоках установки. При влажном смешивании потребуется разделить рабочие блоки установки. При влажном смешивании подготовленные материалы смешиваются с водой в мешалке с большими сдвиговыми усилиями до образования раствора, содержащего заданные объемы воды и твердых частиц. Раствор вяжущего материала затем переносится в емкости, в которых он постоянно перемешивается для предотвращения разделения ингредиентов смеси. Оттуда раствор вяжущего материала перекачивается с заданным расходом в установку глубинной стабилизации. При сухом смешивании используются сухие материалы и осушенный сжатый воздух в качестве транспортного средства. Материалы подаются в поток сжатого воздуха, после чего смесь вяжущего материала и воздуха вдувается непосредственно в смесительное приспособление стабилизационной установки. Пропорция вяжущих материалов, используемых для влажного смешивания, контролируется по количествам материалов, добавляемых в мешалку с большим сдвиговым усилием. При сухом смешивании вяжущие материалы хранятся в отдельных бункерах, а скорость их подачи в воздушный поток задается такой, чтобы степень потери материала при переходе из бункера соответствовала теоретическим расчетам для получения правильных пропорций в смесях. Контрольно-измерительные приборы, необходимые для контроля вышеуказанных процессов, описаны в пункте 7.4. 7.3.3 Процесс стабилизации В процессе глубинной стабилизации грунт смешивается в колонны. Для влажного и сухого процессов смешивания вяжущий материал впрыскивается в грунт через полую трубу в форсунку смесительного приспособления. При сухом смешивании вяжущий материал подается в смесительное приспособление только при его извлечении с заданной глубины смешивания, в то время как при влажном смешивании вяжущий раствор подается как в процессе пенетрации, так и в процессе извлечения с заданной глубины смешивания. Благодаря вращению смесительного приспособления и впрыскивания вяжущего материала через форсунки грунт смешивается с вяжущим материалом и по мере подъема трубы формируется стабилизированная колонна. При сухом смешивании сжатый воздух, используемый для доставки вяжущего материала в смесительное приспособление, просто выдувается в форсунку и улетучивается через трещины и щели в почве. Иногда это приводит к временному вздутию поверхности земли. Вздутие высотой 5-10 см не является нарушением 66 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов технологии при выполнении строительных работ на пластичной глине. При влажном смешивании добавление вяжущего раствора может привести к вздутию или извлечению грунта с поверхности. На практике, извлеченный грунт затем засыпается в полость, оставшуюся после выемки смесительного приспособления. Степень извлечения грунта вычисляется по отношению площади обрабатываемого участка к сумме площадей верхушек колонн. По мере увеличения данного отношения объем извлеченного грунта также увеличивается. Доставка материалов на участок Хранение материалов на участке Доставка материалов к смесительной установке Смешивание материалов в вяжущий материал Хранение вяжущего материала При сухом смешивании эти процессы обычно объединяются в одном или двух блоках оборудования Доставка вяжущего материала в стабилизационную установку Применение вяжущего материала Рис. 7.7. Производственный процесс получения и использования вяжущего материала. 67 В случае стабилизации массивом вяжущий материал впрыскивается в грунт точно так же, как и при смешивании колонн, однако лезвия имеют форму пропеллера на гидравлическом манипуляторе. Это позволяет изменять угол наклона и глубину пропеллера для более эффективного смешивания. Глубинное смешивание в колонны При сухом глубинном смешивании диаметры колонн могут варьироваться от 1.0-1.5 м с использованием японского оборудования до 0.5-0.8 м с использованием скандинавского оборудования. Крутящий момент, необходимый для вращения смесительной трубы и лезвий, обычно составляет 6-50 кНм при 150-50 об./мин. Колонны могут достигать 30-40 метров в глубину при использовании самых крупных установок. Скорость вращения скандинавского оборудования обычно составляет 120-200 об./мин. Скорости подъема в морских высокоструктурных глинах обычно составляет 15-30 мм на каждый оборот. Таким образом, колонна длиной 10 м может быть построена примерно за 4 минуты, что делает данный метод очень экономичным для таких грунтов. Количество вяжущего материала обычно берется в диапазоне 80-120 кг/м3 в морских глинах для достижения полевой прочности (cu) 40-60 кПа, при этом на органических грунтах может потребоваться дозировка 250-350 кг/м3 для достижения полевой прочности (cu) 100-150 кПа. Глубинное влажное смешивание в колонны При влажном смешивании колонны могут достигать диаметра 1.2 м, поэтому крутящий момент смесительной трубы и лезвий может составлять до 160 кНм при оборотах 15-20 об./мин. и скорости подачи 50 см/мин. Расход водного раствора вяжущего материала обычно составляет 35-70 литров/мин. Количество вяжущего материала обычно берется в диапазоне 300-400 кг/м3 в слабых грунтах, чтобы получить полевую прочность (cu) 100-150 кПа. Смешивание массива Стабилизация массивом – это относительно новая технология стабилизации грунта. Обычно это блок глубиной от 3 до 5 м, тщательно смешанный с сухим вяжущим материалом и доставленный сжатым воздухом. Данная технология хорошо подходит для стабилизации органических грунтов, например, торфа. При сухом смешивании, которое в настоящее время применяется для стабилизации массивом, оборудование обычно включает в себя контейнер для вяжущего материала под давлением и землеройную установку с выхлопной трубой и пропеллером, смонтированным на конце трубы. Оператор подает вяжущий материал в грант так, чтобы он равномерно распределялся и смешивался с грунтом. Как правило, объем, соответствующий 8-10 кв. метрам в плане и 3-5 метрам в глубину смешивается в одной последовательности. Для успешного смешивания в очень слабых грунтах необходимо снять рабочую подкладку и геотекстиль и вернуть их на место после смешивания. Количество вяжущего материала обычно берется в диапазоне от 200 до 400 кг/м3. Если требуемое количество вяжущего материала замешивается в обработанный объем, смешивание следует выполнять путем перемещения вращающегося пропеллера сквозь смесь вяжущего материала и грунта для получения однородной смеси. Данный процесс занимает обычно около 1 часа для получения объема 100 м3. Итоговый объем грунта после смешивания имеет очень важное значение, поскольку недостаточный объем приведет к очень неоднородной структуре грунта, с большими кусками очень жесткого материала, окруженного слабым, заново образованным и необработанным грунтом. Участки, стабилизированные массивом, следует нагружать избыточной нагрузкой/рабочей платформой толщиной 0.5-1 м сразу после завершения смешивания. В этом случае оставшийся после смешивания воздух будет выдавлен и конечная прочность увеличится. 7.3.4 Последовательность смешивания, размещение смесительной установки Последовательность глубинного смешивания колонн должна быть спланирована в соответствии с определенными грунтовыми условиями, однако наиболее эффективная последовательность работы стабилизационной установки обеспечивается в пределах ее рабочего радиуса и как можно дальше от самой установки до ее последующего перемещения. Большинство установок имеют ограниченный угол поворота для достижения максимальной устойчивости в процессе смешивания. Стандартная последовательность глубинного смешивания колонн показана на рис. 7.8. При стабилизации массивом последовательность работы направлена на стабилизации массы грунта в блок, в пределах рабочего радиуса установки, размером 2 м х 4 м в плане, при работе стабилизационной установки рядом с длинной стороной такого блока. При этом можно будет последовательно обрабатывать несколько блоков после снятия рабочей подкладки и ее возврата на место по завершении смешивания, обеспечивая тем самым последовательное продвижение установки и повышенную эффективность труда. 68 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Готовые колонны Места для новых колонн Радиус действия смесительного оборудования Рис. 7.8. Последовательность строительства колонн при глубинном смешивании грунта. 69 7.3.5 Скорость выполнения работ Скорость выполнения работ зависит от диаметра смешиваемых колонн, мощности стабилизационной установки и полевой прочности грунта. В таблице 7.1 приведены ориентировочные значения для оценки скорости выполнения работ. Таблица 7.1. Ориентировочные значения объема грунтов, которые можно стабилизировать за час работы с использованием различных процессов. Процесс Сухое глубинное смешивание в колонны диаметром 0.6 м Влажное глубинное смешивание в колонны диаметром 0.8 м Стабилизация массивом 7.3.6 Стандартная глубина обработки (м) 20 Объем обработанного грунта/час (м/час) 15-20 20 12-20 6 100 Воздействие на соседние конструкции Наиболее вероятное воздействие на соседние конструкции может произойти по причине вздутия в процессе глубинного смешивания. В случае глубинного сухого смешивания колонн обычно происходит вздутие 5-10 см в пределах 0.5 м от кромки колонны в процессе стабилизации слабых грунтов. При глубинном влажном смешивании с большими объемами и высоким давлением раствора наблюдались вздутия до 0.75 м. Тем не менее, такие вздутия происходят локально вокруг колонн и могут стать проблемой только в том случае, если стабилизация была выполнена в пределах диаметра одной колонны фундамента какого-либо здания. При стабилизации массивом наибольшее воздействие на соседние конструкции создается по выполнении отдельного блока стабилизации. Это точка, в которой стабилизированный грунт обладает наименьшей прочностью и поэтому дает минимальную боковую поддержку для окружающего грунта. Нагрузки от фундамента и существующих соседних зданий в данной точке могут вызвать провал здания в стабилизированные массы. 7.4 Мониторинг и контрольно-измерительные приборы Совершенно очевидно то, что измерительные приборы имеют огромное значение для точного контроля процесса стабилизации, поскольку сам процесс стабилизации требует постоянного контроля. Объем вяжущего материала, впрыснутого в определенный объем грунта, а также геометрия и однородность объема стабилизированного грунта, как при стабилизации колоннами, так и массивом, следует оценивать непрямыми измерениями расхода вяжущего материала, раствора, и т.д. Технические проблемы, связанные с мониторингом, чаще всего возникают при стабилизации сухим, нежели влажным, методом. Вяжущий материал, содержащийся в потоке раствора, легче измерить по сравнению с вяжущим материалом, содержащимся в потоке сжатого воздуха. В связи с этим, потеря веса в емкости для хранения вяжущего материала обычно используется в качестве меры вяжущего материала, использованного в процессе сухого смешивания, в то время как прямое изменение потока более присуще влажному методу. Как правило, непрерывный мониторинг веса емкости с вяжущим материалом, как и сухого вяжущего материала, осуществляется посредством датчиков нагрузки. Для балансировки динамических нагрузок, вызванных вибрациями различных деталей оборудования, снимаются 20 показаний в секунду и рассчитывается средняя величина для данного промежутка времени, позволяющая вычислить среднее арифметическое для большого количества показаний. Изменение веса является одним из основных параметров процесса мониторинга. Другим немаловажным параметром является глубина выпускной форсунки. Такая глубина обычно измеряется при помощи вращающегося колеса с передатчиком, который выдает фиксированное количество цифровых импульсов на каждый оборот колеса. Вращающееся колесо либо крепится на смесительный патрубок, либо присоединяется к нему по кабелю. По мере опускания смесительной трубы кабель поворачивает колесо, благодаря чему импульсы посылаются в записывающее оборудование. Калибровка импульсов позволяет сделать точные измерения в смесительной трубе. При влажном смешивании количество каждого вяжущего материала, необходимое для каждого замеса, взвешивается по мере его добавления в измеренный в объем воды в мешалке. Данный процесс можно облегчить с использованием уже готовых партий материала или заранее взвешенных материалов, упакованных в мешки. Другими сигналами, используемыми для мониторинга процесса, являются скорость вращения смесительного приспособления, скорости подъема и силы, а также крутящий момент привода. Значения данных параметров берутся из базовых контрольно-измерительных приборов машинного оборудования. Все входные сигналы обрабатываются и выдаются на легкочитаемый дисплей оператора, а также сохраняются на магнитных носителях, например, на флоппи-диске 3.5”, для последующей обработки. 70 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Очень важно, чтобы информация предоставлялась оператору в удобной форме, позволяющей непрерывно получать четкую, полную картину всех задействованных в процессе элементов. Например, количество вяжущего материала в расходных емкостях может быть выражено как в числовом, так и графическом формате, позволяя оператору легко считать показания об остатке вяжущего материала, а на дисплей можно вывести информацию об участках, в которых было добавлено недостаточное количество вяжущего материала. Собранные данные можно обработать на месте, а результаты передать заказчику, что в последующем послужит основой для контроля качества, проверки и выставления счета. Кроме того, такие данные можно внести в базу данных, которая затем могла бы использовать для получения производственной статистической информации и иной полезной информации о задействованных оборудовании и процессах. Общее описание методов установки приведено в Приложении A, а примеры выходных данных и снимки экранов дисплеев в процессе глубинного смешивания приведены в Приложении B. 7.5 Мероприятия по охране окружающей среды 7.5.1 Безопасность и здоровье Некоторые вяжущие материалы могут быть опасны для здоровья, например, жженая известь, которая способна вызывать повреждение глаз и кожи. Несмотря на то, что операторы и иные рабочие, принимающие непосредственное участие в процессе стабилизации, являются наиболее подверженными таким опасным воздействиям, любые другие люди, не принимающие непосредственного участия в таких работах, также подвергаются определенным рискам, как например пешеходы, проходящие вблизи строительного участка, на котором производится стабилизация грунта с применением потенциально опасных вяжущих материалов. Кроме того, необходимо регулярно осматривать большие емкости под давлением для выявления дефектов или повреждений, которые могли бы повлечь за собой нарушение безопасности из-за своего непредсказуемого состояния, а в худшем случае может даже произойти взрыв емкости. Такой риск наиболее актуален для тех участков, на которых используется подобное оборудование без осуществления должного контроля. В связи с вышесказанным, очень важно принять все необходимые меры, позволяющие минимизировать любые риски для безопасности и здоровья персонала. Такие риски можно составить в перечень и расставить по уровню их опасности в процессе оценки рисков на участке. Пример анализа рисков приведен в Приложении C, но является лишь иллюстрацией данного процесса, поскольку не включает в себя абсолютно все риски, которые могут встретиться на строительном участке. Шум и вибрация обычно не создают проблемы при стабилизации грунта. Используемое для этого оборудование издает намного меньше шума, чем любое другое оборудование, применяемое для строительства фундаментов, как например свайные коперы (BS 5228-1:1997, BS 5228-2:1997, BS 52284:1992). Еще один риск для окружающей среды может быть связан со вздутием почвы, происходящим в результате введения в грунт сжатого воздуха или раствора. Есть примеры, когда вздутие высотой до 0.75 м происходило в результате применения высоких струйных давлений с высоким отношением (> 0.5) обработанного участка к площади колонн. Тем не менее, вздутия чаще всего получаются небольшими, редко превышающими 10 см. Однако и такой небольшой подъем почвы необходимо учитывать в случае присутствия конструкций, чувствительных к движению, например, старые водопроводные линии. 7.5.2 Директива EC по грунтовым водам Директива EC по грунтовым водам содержит в себе перечень основных загрязняющих веществ, ограничивающих количество вяжущих материалов, которые можно использовать для стабилизации. Тем не менее, строгое соблюдение данной директивы приведет к полной остановке всех строительных работ, связанных с применением монолитного бетона, поэтому в нее были внесены некоторые изменения, позволяющие странам-участницам отступать от установленных правил (март 1999 г.). Такое отступление возможно будет включать в себя мероприятия по контролю и мониторингу воздействия бетона и смешанного грунта на окружающую среду. Однако никогда не следует забывать о Директиве и последующих поправках, а также дополнительных нормативных актах стран-участниц на использование строительных материалов в контакте с грунтовыми водами. Например, по законодательству Нидерландов стабилизированный грунт определяется как новый материал, введенный в почву, поэтому его необходимо подвергнуть следующим испытаниям: - Испытания на пригодность: каков загрязняющий эффект от такого материала; - Испытания на выщелачивание: каков загрязняющий эффект при выщелачивании данного материала в условиях испытаний. 71 Поскольку новым материалом является стабилизированный грунт, в его состав входит естественный грунт, который может обладать высоким содержанием сульфатов (если это органический грунт). Поэтому такой смешанный грунт может не пройти испытания на выщелачивание из-за естественного грунта, но не из-за добавленного вяжущего материала. Продевание кабеля по буровой трубе. Крепление лезвий. Установка PORT, готовая к работе. Рис. 7.9. Присоединение кабеля и лезвий PORT к глубинной смесительной установке перед работой. 72 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов 7.6 Контроль качества Контроль качества можно осуществлять при помощи производственных средств контроля с записью данных, контролем результатов после испытаний и мониторингом функциональных показателей. 7.6.1 Производственные средства контроля В современном оборудовании для смешивания грунта используется очень много компьютерной техники. Компьютерный контроль параметров смешивания (таких как скорость вращения, скорость подачи, подача вяжущего материала) для достижения проектных величин в большинстве случаев производится без участия оператора. Те же компьютеры также используются для контроля параметров, вывода на дисплей полученных данных и их хранения для последующего анализа. Такие данные имеют особую важность для документального оформления всех работ на участке, чтобы их можно было быстро сравнить с проектными параметрами. Стандартный вид данных приведен в Приложении B. 7.6.2 Испытания после завершения строительных работ Как уже упоминалось выше, контроль качества основывается на части данных, полученных в процессе смешивания. Тем не менее, наращивание прочности и улучшение деформационных характеристик стабилизированного грунта после смешивания невозможно определить по данным, собранным на этапе производства. Вместо этого, готовые стабилизационные колонны или стабилизированный массив необходимо тщательно исследовать после завершения всех работ. CS 150 кг/м3; 7 суток выдержки Тяговое усилие [кН] CS150 кг/м3; 28 суток выдержки Тяговое усилие [кН] Результаты испытания на сопротивления вытягиванию в шлакоцементных колоннах с вяжущим материалом 150 кг/м3 a) 7 суток выдержки b) 28 суток выдержки Рис. 7.10. Примеры результатов PORT при смешивании грунта в колонны с использованием шлакоцементного вяжущего материала через 7 и 28 суток выдержки. 73 Колонны, выполненные сухим методом в слабых грунтах обычно остаются достаточно мягкими в течение 28 дней строительства и их можно испытать с проведением испытаний на сопротивление вытягиванию (PORT) или пенетрационных испытаний, таких как пенетрационные испытания конусом (CPT) или пенетрационные испытания динамическим конусом (DCPT). Колонны, выполненные в разнородных грунтах или грунтах с песчаными слоями могут производить очень прочные части колонн, которые не позволят выполнить испытания PORT или CPT. В США для проверки качества колонн успешно применяется измеритель давления. Работы по PORT путем вытягивания сквозь колонну специально разработанного лезвия/лопасти (проекция поверхности составляет 15 мм на 500 мм), ранее установленного под концом такой колонны. Сила, необходимая для вытягивания лезвия сквозь колонну была соотнесена с прочностью колонны. Лезвие или лопасть с нагрузочным кабелем устанавливаются смесительной установкой до создания колонны (см. рис. 7.9). Лезвие соединено с поверхностью земли посредством кабеля, проходящего через всю длину колонны. Через заданный промежуток времени после смешивания к тросу прилагается тяговое усилие и измеряется сила вытягивания. Прочность колонн (cu в кПа) рассчитывается путем умножения силы вытягивания (F в кН) на коэффициент, обычно равный 10. Следует отметить, что испытания на вытягивание дают среднюю величину прочности для каждого уровня колонны. Таким образом, слабые участки колонны не будут обнаружены из-за того, что они прикрыты соседним более прочным материалом. Структура колонны, испытанной с применением специально разработанного лезвия/лопасти, будет нарушена. Если предполагается наличие вертикальной нагрузки, например под насыпью, можно использовать испытанную колонну. В других случаях необходимо учитывать нарушение структуры колонны. Примеры данных PORT приведены на рис. 7.10, когда шлакоцемент использовался в качестве вяжущего материала с дозировкой 150 кг/м3, а испытания показывают прирост прочности в диапазоне между 7 и 28 суток с момента смешивания грунта. Пенетрационные испытания, такие как CPT Луне и др. (Lunne et al) (1997 г.) имеют один недостаток, заключающийся в том, что конец колонны стремится отклониться от траектории колонны через 5-7 метров после погружения. В связи с этим, пенетрационные испытания лишь ограниченно подходят в качестве проверочного средства, особенно в отношении относительно длинных и прочных колонн. Данную тенденцию к отклонению можно устранить путем предварительного бурения и начала пенетрационного испытания с основания заранее пробуренного отверстия. На рис. 7.11 показаны результаты CPT известково-цементных колонн после 1 и 6 месяцев выдержки. Несмотря на то, что колонны очевидно находятся на разных уровнях, наращивание прочности при сдвиге без дренажа, рассчитанное по результатам таких CPT, оказалось значительным на всех уровнях. Участок: Кивикко: Вяжущий материал из смеси цемент/известь при 120 кг/м3 a) 1 месяц после смешивания b) 6 месяцев после смешивания Рис. 7.11. Примеры результатов CPT при смешивании грунта в колонны с использованием шлакоцементного вяжущего материала через 1 и 6 месяцев выдержки. 74 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Проблема отклонения существует также и при отборе керновых проб из материала колонн. Керновое буровое отверстие имеет тенденцию к отклонению и приводит к выходу колонны в окружающий грунт до достижения ее конца. Кроме того, материал для смешивания такой колонны зачастую имеет неоднородную и изотропную структуру, поэтому приходится брать несколько керновых образцов, а место отбора таких образцов определять так, чтобы получить полную картину о качестве колонны. Для колонн с ограниченной длиной можно извлечь всю колонну и взять образцы прямо с ее поверхности. Однако это довольно дорогостоящая операция и в результате ее уничтожается вся колонна. Для более крупных проектов со смешиванием грунтов, не стабилизированных ранее, заказчики обычно требуют извлечения всей колонны для оценки качества смешивания. Данный метод испытаний позволяет проверить все свойства, например, однородность, анизотропию, а иногда даже геометрическую форму. При стабилизации глубже 3-4 м для проведения проверки на месте можно выполнить выемку грунта рядом со стабилизированным участком. Такая выемка требует всесторонней проработки и обеспечения безопасности для здоровья и безопасности персонала, проводящего проверку (BS 5930:1999, BS 8000-1:1989, BS EN 1536:2000). 75 8. Проверка Рекомендуется разбить длину насыпи для автомобильной или железной дороги на характеристические геотехнические участки. На каждом характеристическом участке необходимо провести испытания для определения характеристик слоев грунта, требований к вяжущим материалам, объемов стабилизации грунта колоннами и/или массивом, и плана проекта. Проверка колонн стабилизированного грунта – и стабилизации массивом – должна быть направлена на определение приобретенных свойств, то есть прочности, деформации, пластичности, плотности, проницаемости и выщелачивания. Испытательные участки: - Выполните исследование грунта, как описано в главе 5. - Выполните испытания вяжущего материала в лабораторных условиях, см. главу 6. Определите смеси вяжущего материала, которые превышали бы расчетные требования по прочности в 3-5 раз. - Выполните полевые испытания на различных испытательных участках: Установите достаточное количество испытательных колонн стабилизированного грунта. Смешайте грунт и вяжущие материалы при помощи оборудования, которое будет использоваться в ходе строительства. Запишите количество вяжущего материала и энергия смешивания на каждую единицу длины колонны, как указано в главе 7. По возможности, используйте несколько смесительных приспособлений при различной энергии смешивания. Установите достаточное количество приспособлений для испытаний на сопротивления вытягиванию (PORT). Возьмите образцы влажной смеси грунта и вяжущего материала. Испытайте данные образцы в лабораторных условиях на предмет прочности, пластичности, проницаемости и выщелачивания, определяющие состав и требования к защите окружающей среды. Возьмите керновые образцы колонн стабилизированного грунта. Проведите испытания (вручную на сдвиг грунта крыльчаткой, одноосное сжатие) для определения прочности, пластичности, проницаемости и выщелачивания. Определите прочность и пластичность испытательных колонн в полевых условиях. Выполните испытания PORT и/или испытания измерителем давления и/или испытания грунта на сдвиг крыльчаткой и/или испытания CPT. При необходимости, откорректируйте все параметры для строительства испытательных колонн. - Подготовьте окончательный проект: тип вяжущего материала и план размещения колонн в стабилизированном грунте: Выберите тип и количество вяжущего материала и энергия смешивания в сочетании со смесительным приспособлением; При необходимости, откорректируйте соответствующие размеры в плане размещения первого проекта, включая планирование строительства, возможную предварительную нагрузку при стабилизации грунта, и т.д. - Выполните стабилизацию грунта для испытательной насыпи на испытательном участке Установите достаточное количество PORT в процессе выполнения строительных работ. Установите достаточное количество датчиков давления поровой воды в подстилающем грунте. Установите достаточное количество устройств в подстилающем грунте для контроля горизонтальных и вертикальных смещений грунта. Выполните испытания PORT, испытания с измерителем давления и/или испытания на сдвиг крыльчаткой и/или CPT в колоннах стабилизированного грунта для определения полевой прочности и параметров полевой пластичности. Определите плотность колонн стабилизированного грунта для того, чтобы иметь представление об однородности колонн стабилизированного грунта по их вертикали. При необходимости откорректируйте проект и план размещения колонн стабилизированного грунта на основании полученных значений полевой прочности и полевой пластичности. Постройте испытательную насыпь. Измерьте давление поровой воды, усадку и горизонтальное смещение грунта. Составьте кривую зависимости смещения от нагрузки и усадки от времени. Рассчитайте будущее состояние: экстраполяция на основании обратного анализа. Обратный анализ проводится на основании результатов, полученных на испытательном участке. Сделайте выводы и откорректируйте окончательный проект, если необходимо. - Выполните окончательную стабилизацию грунта для всего характеристического участка и с теми же параметрами, что и на испытательном участке (мониторинг по менее строгой шкале) Проект программы мониторинга. Строительство насыпей на характеристическом участке. Мониторинг (прилагаемая нагрузка, поровые давления, усадки, горизонтальные деформации). Сравните полученные результаты (мониторинга) с расчетными величинами и примите необходимые корректирующие меры. - Мероприятия, которые необходимо выполнить в том случае, если стабилизация не отвечает требованиям, предъявляемым к устойчивости или усадке грунта 76 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов - Определите воздействие дополнительной предварительной нагрузки и решите, будет ли она полезна. Изучите возможность вставки дополнительных колонн и/или массива в основании насыпи (или временно снимите основание насыпи). Увеличьте время строительства. Выполните иные необходимые мероприятия. Дополнительная проверка Выполните испытания CPT (возможно с применением ступенчатого предварительного бурения) в стабилизированном грунте (стабилизация колоннами/массивом), возможно в процессе и вскоре после завершения строительных работ для определения непрерывности и однородности колонн стабилизированного грунта. И т.д. 77 ПРИЛОЖЕНИЕ A РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК ДЕЙСТВИЙ ПРИ ГЛУБИННОМ СМЕШИВАНИИ ГРУНТА И ПРИ СМЕШИВАНИИ ГРУНТА МАССИВОМ Введение Для того, чтобы можно было сравнить методы работы и результаты, полученные от систем мониторинга оборудования в ходе выполнения испытаний на каждом участке, очень важно разработать стандартную методику для данного метода стабилизации. Здесь приведен пример такой методики установки колонн. Кроме того, здесь предлагается порядок корректировки и модернизации существующего оборудования. Общая информация Необходимо подготовить рабочую документацию для каждого полевого испытания, в которой описывались бы контрольно-измерительные приборы, используемые для испытаний, методика установки колонн и стабилизации массивом, а также системы мониторинга и контроля. Контрольно-измерительные приборы на испытательном участке должны работать до, в процессе и после стабилизации грунта и должны быть установлены непосредственно на участке. Несмотря на то, что такие приборы имеют другое целевой предназначение, не связанное со стабилизацией, некоторые приборы мы приводим ниже в качестве примеров: - Манометры для измерения порового давления (между колоннами и внутри колонн) - Манометры для измерения давления грунта - инклинаторы - датчики вздутия почвы - датчики усадки - датчики температуры - манометры для измерения порового давления газа (между колоннами и внутри них) - датчики для измерение загрязнения, вибраций и выбросов пыли. и иное контрольное оборудование, указанное в документации испытательного участка. В виде части проекта необходимо выполнить испытания на пригодность, поскольку их выполнение может оказаться невозможным при данной методике установки в подобном подстилающем грунте. Исследования грунта проводятся до и после стабилизации, как указано в отчете об измерениях, выполненных на испытательном участке (задача 2). Необходимо измерить и документально зафиксировать уровни шума и вибрации (дБА) на расстоянии 10 и 50 метров от установки в нескольких рабочих ситуациях. Вся документация и мониторинг должны производиться на английском языке (британский английский) и в метрической системе измерений. 78 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов A.1 Порядок выполнения строительных работ A.1.1 Стабилизация колоннами A.1.1.1 Подготовительные мероприятия (методы сухого и влажного смешивания колонн) Перед установкой колонн необходимо проверить и документально зафиксировать следующие условия: - Данные по вяжущим материалам - даты производства и доставки - условия хранения - условия транспортировки - температура хранения - испытания на соответствие качеству - составляющие вяжущего материала - тип/качество воды - Машинное оборудование - тип оборудования - конструкция смесительного приспособления - иные необходимые данные - Описание участка - местонахождение участка и высота над уровнем моря - инженерно-геологические условия - погодные условия в ходе выполнения работ - фотоснимки с участка - состояние возможного загрязнения почв - Данные о колоннах - диаметр, м (обычно 500-800 мм) - количество вяжущего материала, кг/м3 или литров/мин - энергия смешивания, Дж/м3 - скорость подъема, мм/сек и мм за один оборот - скорость вращения, об/мин - длина, м (до 25 м) - верхний уровень колонны (отметка) - уровень конца колонны (отметка) - давление подачи, макс. МПа (применяется как для сухого, так и для влажного методов) - давление на выходе (внутри Kellybar) на уровне смесительного приспособления - отношение веса воды к весу цемента (для влажного метода) - отношение раствора к присадкам A.1.1.2 Сухой метод (скандинавское оборудование) 1. Смесительное приспособление вдавливается вертикально в грунт до заданной глубины. Если используется вращение, то скорость вращения необходимо записать. Время вдавливания и глубину проникновения также необходимо записать. 2. Смесительное приспособление поднимается и одновременно проворачивается. В процессе подъема вяжущий материал, обычно сухой цемент и известь, впрыскивается в грунт. Впрыскивание происходит из центра смесительного приспособления за счет вращения его лопастей. Необходимо заранее установить количество вяжущего материала на кубический метр и электропитание, затрачиваемое на один кубический метр. Непрерывный мониторинг следует организовать для следующих параметров: - выход вяжущего материала, кг/м и кг/м3 энергия смешивания, Дж/м3 скорость подъема, мм/сек и мм за один оборот скорость вращения, об./мин давление подачи на установку давление на выпуске (внутри Kellybar) на уровне смесительного приспособления Стандартные значения 16-50 кг/м 20-50 мм/сек 100-200 об./мин 0.2-0.7 кПа 0.2-0.6 кПа 79 3. Давление подачи следует стравить после установки, поверхность вздутия необходимо контролировать как вокруг каждой колонны по отдельности (см. рис. A.1a), так и вокруг всего стабилизированного участка (см. рис. A.1b). Точность должна быть + 1 мм. Одной точки на каждые 200 м2 будет достаточно. l = высотные отметки a) L= длина колонны a) Вокруг одной колонны l = высотные отметки b) L= длина колонны b) Вокруг участка колонн Рис. A.1. Мониторинг поверхности вздутия до и после стабилизации 4. Для некоторых колонн рекомендуется, чтобы температура измерялась сразу в нескольких колоннах. Тем не менее, данный вопрос относится к рабочей группе 4. A.1.1.3 Влажный метод (раствор) 1. Смесительное приспособление вставляется (забуривается или вдавливается) вертикально в грунт до заданной глубины. По мере вталкивания смесительного приспособления можно впрыснуть раствор. При использовании вращения необходимо записать скорость вращения. Время вдавливания и глубину проникновения также необходимо записать. При впрыске раствора необходимо зафиксировать его количество, а также энергию смешивания (Дж/м3) и скорость проникновения. Если смесительное приспособление вращается с одновременным впрыском на нижнем уровне в течение некоторого периода времени, данный факт необходимо зафиксировать в отчете (см. кривые зависимости время-выход и времяскорость подъема, рис. A.3). 2. В процессе закачки раствора необходимо обеспечить непрерывный мониторинг следующих параметров: Стандартные значения от 100 до 250 л/мин макс. 20 бар от 0 до 10 бар от 0.1 до 0.5 м/сек от 10 до 20 об./мин - выход раствора, литров/мин. входное давление в установке, кПа выходное давление, кПа (если возможно) скорость подъема, м/сек скорость вращения, об./мин 3. Количество раствора, переливающегося через верх колонны, необходимо измерить в процессе монтажа и до прекращения подачи раствора. 4. С момента начала монтажа и по истечении 48 часов после него необходимо контролировать поверхность вздутия как вокруг каждой колонны по отдельности (см. рис. A.1a), так и вокруг всего стабилизированного участка (см. рис. A.1b). Точность должна быть + 1 мм. Одной точки на каждые 200 м2 будет достаточно. 5. При использовании цемента необходимо зафиксировать отношение веса воды к весу цемента (как правило, в диапазоне от 0.5 до 2.0). Тем не менее, иные вяжущие материалы, такие как известь и/или бентонит, также могут использоваться в зависимости от конкретной области применения. A.1.1.4 Визуальное подтверждение Необходимо сделать видеозапись и фотоснимки всех операций, производимых в ходе монтажа. A.1.1.5 Контроль выполнения работ Вполне понятно, что мастер участка будет отвечать за выполнение всех вышеуказанных работ. Он должен утвердить все документы, подписав их своим именем и указав на них дату и время подписания. Калибровочные данные для всех контрольно-измерительных приборов также должны быть оформлены документально. Мастер участка, являющийся уполномоченным должностным лицом, должен подписать данный документ. Мастер должен иметь соответствующую квалификацию и практический опыт выполнения работ по стабилизации. 80 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов A.1.2 Стабилизация массивом A.1.2.1 Подготовительные процедуры (сухой и влажный методы) Перед выполнением стабилизации массивом необходимо проверить и документально зафиксировать следующие условия: - Данные по вяжущим материалам - даты производства и доставки - условия хранения - условия транспортировки - температура хранения - испытания на соответствие качеству - составляющие вяжущего материала - тип/качество воды - Машинное оборудование - тип оборудования - конструкция смесительного приспособления - иные необходимые данные - Описание участка - местонахождение участка и высота над уровнем моря - инженерно-геологические условия - погодные условия в ходе выполнения работ - фотоснимки с участка - состояние возможного загрязнения почв - Данные по стабилизации колоннами (перед стабилизацией массивом) - Данные по стабилизации массивом - количество вяжущего материала, кг/м3 или литров/мин - энергия смешивания, Дж/м3 - скорость вращения, об/мин - глубина, м (обычно 3-4 м) - давление подачи, макс., МПа - раствор, отношение веса воды к весу цемента (для влажного метода) A.1.2.2 Сухой метод 1. Горизонтальная площадь поверхности, не превышающая 5 x 5 метров, должна быть помечена 4 колышками, вдавленными в грунт. 2. Смешиваемое вещество следует равномерно смешать с грунтом до заданной глубины (3-4 метра) от поверхности (рис. A.2). Количество вяжущего материала (кг/м3) и энергия смешивания (Дж/м3) должны соответствовать значениям, указанным в описании испытательного участка. Схема смешивания должна быть такой, которая установлена в техническом задании на проведение испытаний. 3. В процессе выкачивания смешиваемого вещества и смешивания с грунтом необходимо обеспечить непрерывный мониторинг для следующих параметров: - выход вяжущего материала, кг/м3 давление на входе установки, кПа давление на выходе, кПа скорость вращения, об/мин Стандартные значения 100-400 кг/м3 0.2-0.4 кПа 0.2-0.5 кПа 100-200 об/мин 4. После первичного смешивания с вяжущим материалом, преобразование объема грунта должно происходить равномерно, чтобы необходимые работы по смешиванию были выполнены для всего объема грунта. Такой объем обозначается колышками и глубиной стабилизации массивом. Схема преобразования грунта должна соблюдаться в соответствии с техническим заданием. 5. После смешивания грунта геотекстильная ткань с достаточной несущей способностью и 500 мм гравия помещаются на стабилизированную поверхность (рис. A.2). По решению мастера участка геотекстильную ткань можно не использовать. 81 6. Уплотнение производится с использованием тяжелого катка, как указано в описании испытательного участка. Гравий Геотекстиль Объем, стабилизированный массивом . Органичес кая глина и/или торф Рис. A.2. Стабилизация массивом, сухой метод. A.1.2.3 Влажный метод 1. Горизонтальная площадь поверхности, не превышающая 5 x 5 метров, должна быть помечена 4 колышками, вдавленными в грунт. 2. Смешиваемое вещество следует равномерно смешать с грунтом до заданной глубины (3-4 метра) от поверхности (рис. A.2). Количество вяжущего материала (кг/м3) и энергия смешивания (Дж/м3) должны соответствовать значениям, указанным в описании испытательного участка. Схема смешивания должна быть такой, которая установлена в техническом задании на проведение испытаний. 3. В процессе выкачивания смешиваемого вещества и смешивания с грунтом необходимо обеспечить непрерывный мониторинг для следующих параметров: - выход вяжущего материала, л/мин давление на входе установки, кПа давление на выходе, кПа (если возможно) скорость подъема, м/сек скорость вращения, об/мин Стандартные значения от 100 до 250 л/мин макс. 20 бар от 0 до 10 бар от 0.1 до 0.5 м/сек от 10 до 20 об/мин 4. Количество раствора, стекающее с испытательного участка, необходимо регистрировать в процессе монтажа до тех пор, пока поток раствора не будет перекрыт. 5. После первичного смешивания с вяжущим материалом, преобразование объема грунта должно происходить равномерно, чтобы необходимые работы по смешиванию были выполнены для всего объема грунта. Такой объем обозначается колышками и глубиной стабилизации массивом. Схема преобразования грунта должна соблюдаться в соответствии с техническим заданием. 6. После смешивания грунта геотекстильная ткань с достаточной несущей способностью и 500 мм гравия помещаются на стабилизированную поверхность. По решению мастера участка геотекстильную ткань можно не использовать. 7. Уплотнение производится с использованием тяжелого катка, как указано в описании испытательного участка. 8. При использовании цемента необходимо зафиксировать отношение веса воды к весу цемента (как правило, в диапазоне от 0.5 до 2.0). Тем не менее, иные вяжущие материалы, такие как известь и/или бентонит, также могут использоваться в зависимости от конкретной области применения. A.1.2.4 Визуальное подтверждение Необходимо сделать видеозапись и фотоснимки всех операций, производимых в ходе монтажа. A.1.2.5 Контроль выполнения работ Вполне понятно, что мастер участка будет отвечать за выполнение всех вышеуказанных работ. Он должен утвердить все документы, подписав их своим именем и указав на них дату и время подписания. Калибровочные данные для всех контрольно-измерительных приборов также должны быть оформлены документально. Мастер участка, являющийся уполномоченным должностным лицом, должен подписать данный документ. Мастер должен иметь соответствующую квалификацию и практический опыт выполнения работ по стабилизации. 82 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов A.2 Разработка и модернизация существующего оборудования для выдачи сухого вяжущего материала или раствора Для выполнения всех необходимых операций и осуществления контроля необходимо внести некоторые изменения и модификации в конструкцию существующего оборудования. Основные изменения кратко описаны ниже. Количество вяжущего материала должно соответствовать спецификациям в техническом задании на испытания. То есть установленное количество вяжущего материала/раствора на каждый объем грунта должно фактически подаваться в грунт. В то же время, энергия смешивания должна быть равной величине, установленной для испытаний. Количество вяжущего материала и энергия смешивания оцениваются по результатам лабораторных испытаний и должны быть указаны в техническом задании на испытания. Скорость выхода зависит от разницы между давлением в системе и внешним давлением, создаваемым грунтом на уровне смесительного приспособления. Это означает, что давление в системе необходимо менять по мере изменения внешнего давления от грунта и грунтовых вод, чтобы поддерживать постоянную скорость выдачи вяжущего материала. Для большинства типов существующего оборудования применяется постоянное выходное давление в системе. Скорость подъема также необходимо корректировать для получения заданного выхода вяжущего материала на каждый объем грунта. Это позволяет применять различную энергию смешивания для различных слоев грунта. В связи с этим, энергия смешивания на различных уровнях может значительно меняться, что приводит к ошибке при сравнении результатов, полученных из различных образцов машинного оборудования. В целом, все оборудование, используемое на всех испытательных участках, должно обеспечивать возможность мониторинга выходного давления системы, а также внешнего давления (почвенный агрегат + вода + газ). Кроме того, необходимо обеспечить возможность изменения давления в системе в зависимости от внешнего давления. Данный процесс должен происходить автоматически и регистрироваться системой контроля в соответствующем отчете (см. рис. A.3). Рис. A.3. Внутреннее и внешнее давление, p1, p2 и pe. Выход вяжущего материала = q 83 A.3 Разработка и настройка системы мониторинга и контроля Большинство типов существующего оборудования не позволяют контролировать или составлять отчеты о производственных данных так, чтобы они отвечали техническому заданию на испытания. Мониторинг Ниже указаны данные, которые следует контролировать непрерывно и в автоматическом режиме в ходе выполнения всех работ: - Количество вяжущего материала / расход - Скорость подъема - Глубина - Скорость вращения - Внутреннее и внешнее давление - Прилагаемая энергия (если возможно) - Прилагаемая мощность (если возможно) - Толкающая и подъемная сила (если возможно) А также следующие данные: - Объем воздуха - Температура Все данные должны храниться на PC-карте или подобном носителе. Представлены они должны быть на графическом интерфейсе пользователя для обеспечения возможности быстрой корректировки всех процессов, если возникнет необходимость. Необходимо также обеспечить возможность просмотра всех данных в виде функции времени и глубины. Все измеренные значения должны быть неизменными. Кроме того, необходимо обеспечить возможность распечатки отчета непосредственно на участке. Весь пакет документации должен быть зарегистрирован на PC-карте. Данные о PCкарте следует распечатывать на отдельном ПК. Образцы документов, получаемых из ПК, показаны на рис. A.4 и A.5. 84 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов Выход вяжущего / расход Скорость подъема и глубина Общий, кг, л Выход вяжущего, кг/сек, л/мин время [сек] Глубина, м Скорость подъема, мм/сек Скорость вращения [об/мин] Давление [кПа] Внутреннее внешнее давление Энергия, кНм = Дж Мощность и энергия Мощность, кНм/с =Вт Толкающая сила [кН] Название проекта: Дата: Оператор: Участок: Подпись: Рис. A.4. Пример отчетного документа 85 Выход вяжущего [кг/с] / расход Энергия [Дж/м] Скорость подъема [мм/сек] Давление [кПа] Толкающая сила [кН] Внутр. давление Внешнее давление глубина [м] Название проекта: Дата: Оператор: Участок: Подпись: Рис. A.5. Пример отчетного документа 86 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов ПРИЛОЖЕНИЕ B ПРИМЕРЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА И ВЫДАВАЕМЫХ ИМИ ДАННЫХ В ХОДЕ ГЛУБИННОГО СМЕШИВАНИЯ ГРУНТОВ Здесь приведен пример системы мониторинга для процесса смешивания грунтов, установленная на цельноповоротном стабилизаторе. Процесс монтажа Центральное контрольное оборудование в оборудовании для смешивания грунтов включает в себя два компьютера. Один компьютер собирает информацию из установки и передает ее в другой компьютер по средствам связи. Оператор анализирует процесс монтажа при помощи дисплея, на который выводится графическая информация, индикаторы и цифры. Благодаря этому компьютеру оператор также контролирует процесс монтажа путем его прекращения и возобновления, а при необходимости может вносить также некоторые изменения. На рис. B.1 показан дисплей, установленный на рабочем месте оператора в стабилизационной установке. Вверху установлен компьютер и рабочий монитор, с которым работает оператор. Под компьютером установлены два устройства, позволяющие оператору настраивать оборудование в соответствии с требованиями спецификаций. Рис. B.1. Элементы компьютера, смонтированные в кабине оператора. 87 Рабочий монитор Рабочий монитор, показанный на рис. B.2, выдает все данные, полученные из контрольного компьютера. Состояние расходной емкости для вяжущего материала, скорость подачи вяжущего материала показаны в верхнем левом углу, а фактическая глубина смесительного приспособления, вращение приспособления и закачанный вяжущий материал показаны ниже. Закачанный вяжущий материал должен соответствовать проектным параметрам, имеющим максимальное и минимальное значения. Другие параметры, такие как скорость подъема, давление в шлангах, и т.д., о которых должен знать оператор, показаны в правой части монитора. По мере обновления данных в системе она сверяет записанные параметры с проектными параметрами до их ввода и, если записанные параметры не будут соответствовать заданным диапазонам величин, цвет такого параметра изменится для предупреждения оператора. После этого оператор может принять все необходимые действия для приведения такого параметра в соответствие с проектом. Рис. B.2. Стандартный монитор оператора, на котором показан ход выполнения работ по глубинному сухому смешиванию в колонны. 88 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов После смешивания грунта в колонны компьютер сохранит монтажную информацию в текстовых файлах. Эти файлы используются для составления отчетов, отображающих рабочие параметры для каждой отдельной колонны из смешанного грунта. На рис. B.3 показана серия графиков для монтажа колонны 102 в виде функции от времени. Рис. B.3. Серия графиков по монтажу колонны 102 в виде функции от времени 89 На рис. B.4 показан стандартный ежедневный протокол процесса смешивания грунта. В нем указывается количество смешанных колонн, их длина, номинальный диаметр, затраченное время, объем раствора вяжущего материала и состав вяжущего материала. Дополнительная информация указывается в нижней части протокола и представляет собой сведения о рабочих, проектных параметрах, о смешивании и общем расходе материалов. Рис. B.4. Стандартный ежедневный протокол о результатах работ. 90 Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов ПРИЛОЖЕНИЕ C ПРИМЕР ОЦЕНКИ РИСКОВ ДЛЯ ГЛУБИННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТА 91 ДАТА: ##/##/## ВИД РАБОТ: Вид работ СОСТАВЛЕНО: Руководитель проекта Глубинное смешивание грунта на месте Опасность Опишите оцениваемый вид работ. Перечислите возможные риски (см. примечание 1 и Приложение B). Пешеходы Кто может пострадать? Страница 1 Обеспечивается ли контроль такого риска? Какие дополнительные меры необходимо принять? Рассчитай те фактор риска (примечан ие 3) Перечислите действующие средства контроля или укажите, где можно получить необходимую информацию (примечание 4) Перечислите риски, не охваченные должным контролем, и укажите действия, которые вы собираетесь предпринять, если они целесообразны. Вы можете принять в расчет и расходы, если риск не очень велик (примечание 5) Падение мусора, Пользователи, иной оборудования, проливы персонал, подрядчики масла, неровная поверхность, волочение труб Столкновение с пешеходами Пользователи, иной персонал, подрядчики 1 Инструктаж, защитная одежда. Оградите участок работ конусами для ограничения к нему доступа посторонних 1 Предупредительные знаки, инструктаж Ручные работы Подъем, опускание, вытягивание, толкание 1 Работа на кране подрядчика Столкновение с Пользователи, подвешенным иной персонал, оборудованием, подрядчики падение мусора, изношенные, поврежденные или неправильно подобранные подъемные приспособления. 1 Инструктаж, пользователи должны пройти курс обучения, применение средств механизации, если необходимо. Инструктаж, пользователи должны пройти курс обучения и изучить порядок обращения с такелажем, защитная одежда. Оградите участок работ конусами для ограничения к нему доступа посторонних Нет Смешивание вяжущих материалов Хранение и Вдыхание пыли, подъем мешков с материалами, опускание мешков, их вскрытие 1 Транспортные средства 92 Перечислите группы людей, подверженных риску воздействия выявленных опасных факторов (примечание 2) Фактор риска МЕСТО: Любой участок Пользователи Пользователи, иной персонал, подрядчики Нет Инструктаж, пользователи должны пройти курс обучения, Работы следует выполнять на хорошо защитная одежда, применение проветриваемых участках средств механизации, если необходимо. Руководство по проектно-конструкторским работам: Стабилизация слабых грунтов перемещение материалов Вдыхание пыли, подъем мешков с материалами, опускание мешков, их вскрытие, утечка газа под высоким давлением и выброс твердых частиц Пользователи, иной персонал, подрядчики 1 Инструктаж, пользователи должны пройти курс обучения, защитная одежда, применение средств механизации, если необходимо. Работы следует выполнять на хорошо проветриваемых участках, разработать план действий в чрезвычайной ситуации 93 Справочная литература 1. BS 5228-1:1997 Контроль шума и вибраций на строительных и открытых площадках. Нормы и правила по информированию и методы контроля шума и вибрации. Британский институт стандартов, Лондон. 2. BS 5228-2:1997 Контроль шума и вибраций на строительных и открытых площадках. Руководство по законодательству, определяющему контроль шума и вибрации при строительстве и сносе, включая строительство дорог и их обслуживание. Британский институт стандартов, Лондон. 3. BS 5228-4:1992 Контроль шума и вибраций на строительных и открытых площадках. Нормы и правила по контролю шума и вибрации при забивке свай. Британский институт стандартов, Лондон. 4. BS 5930:1999 Нормы и правила по исследованию участка. Британский институт стандартов, Лондон. 5. BS 8000-1:1989 Квалификация рабочих на строительных участках. Нормы и правила для земляных работ. Британский институт стандартов, Лондон. 6. EN 791:1996: Буровые установки. Техника безопасности. Британский институт стандартов, Лондон. 7. BS EN 1536:2000 Выполнение специальных инженерно-технических работ. Буронабивные сваи. Британский институт стандартов, Лондон. 8. EN 809:1998. Насосы и насосное оборудование для жидкостей. Общие требования безопасности. 9. Директива EC по грунтовым водам, «Исправленное предложение в Директиву совета, устанавливающее пределы для муниципальной деятельности в сфере политики водопользования»: статья 13-Программа мероприятий, параграф 3.g – Запрет прямого выброса загрязняющих веществ в грунтовые воды, и Приложение VIII – Предметный перечень основных загрязняющих веществ. 10. Lunne, T., Robertson, P.K., & Powell, J.J.M. (1997). CPT в инженерно-технических работах. Блэкис, Лондон. 94
