2116

второй точке обозначены ult30% и ult30% соответственно, а значение модуля упругости определяется по следующей формуле:

E ult30% .

(4.18)

Для визуализации решения задачи в среде Matlab была создана пользовательская форма (рис. 4.2), предоставляющая следующие возможности:

1.Выбор функции модели материала из трех представленных функций вида (4.1)-(4.3).

2.Выбор серии испытаний.

3.Задание начальных значений параметров модели материала, их диапазона, отображение обозначений оптимизируемых параметров.

4.Вывод двухмерных графиков с отображением испытаний, средней функции и функции модели материала после оптимизации.

5.Вывод трехмерного графика с отображением функции ошибки, используемой для оптимизации параметров моделей.

6.Отображение пути поиска минимума функции ошибки на трехмерном графике от точки начального приближения до точки минимума.

7.Отображение значений ult30% и E.

Модель

материала

Опыты Нормальное (среднее значение)

напряжение, МПа

Опыты

Обозначение 30% относительной деформации

Начальное Минимум приближение

F(k)

k 2

Рис. 4.2. Идентификация параметров зависимости (4.1)-(4.3)

131

Расчеты показали, что на первых итерациях цикла оптимизации значения деформаций и напряжений, определяемые выражением (4.1), резко отличаются от опытных значений. В ходе минимизации целевой функции (4.17) расчетные значения деформаций и напряжений приближаются к опытным и после 50 итераций погрешность оптимизации составляет 1,5%.

Результаты оптимизации приведены в табл. 4.1. Как видно из табл. 4.1, значения упругого модуля получаются различными при использовании выражений (4.1)–(4.3). Общей тенденцией является рост модуля упругости с увеличением количества вяжущего (шлака), что объясняется физическими причинами. Модуль упругости после идентификации параметров с использованием функций (4.1)–(4.3) превышает значения, определенные по ГОСТ 24452-80. Таким образом, если использовать выражения (4.1)–(4.3) для определения деформации грунтобетона до уровня ult30%, то в данные выражения следует вводить значения модуля упругости отличные от определенных по ГОСТ 24452-80. В этом случае напряженно-деформированное состояние рассчитываемых конструкций (например, оснований упрочненных шлаковым вяжущим) будет соответствовать результатам испытаний образцов материала.

Выводы по разделу 4

1.Идентификация параметров позволяет найти истинное значение оптимизируемого параметра, входящего в функциональную зависимость, что позволяет выполнить более точно расчеты напряженно-деформи- рованного поведения конструкций.

2.Значения модуля упругости получаются различными после оптимизации при использовании различных функциональных зависимостей (табл. 4.1).

132

5. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБИННОГО СМЕШИВАНИЯ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ ГЛИНИСТЫМ КОМПОЗИТОМ

В предыдущих разделах были показаны методы и устройства для определения механических свойств глинистых композитов в лабораторных условиях. В данной главе показана возможность эффективного применения технологии глубинного смешивания для улучшения природных свойств грунтов в полевых условиях и приведен пример использования разработанной технологии для усиления оснований при строительстве 10-этажного жилого дома.

5.1. Технология глубинного смешивания, общие положения

Целью глубинного смешивания грунтов с различными минеральными вяжущими является улучшение естественных свойств грунтов, таких как уменьшение сжимаемости, увеличение прочности на сдвиг и уменьшение их водопроницаемости. Улучшение физико-механических свойств становится возможным вследствие обмена ионов на поверхности глинистых минералов, связывания частиц грунта и заполнения пор продуктами химической реакции. Глубинное смешивание классифицируется по виду используемого вяжущего (цемент, известь, гипс, зола, шлак и т.д.) и методу смешивания (мокрое или сухое, вращение или гидравлическое погружение, шнек или лопасть).

Основное применение способа глубинного смешивания грунтов:

1.Снижение осадок зданий и сооружений.

2.Увеличение устойчивости оснований зданий, сооружений, насыпей.

3.Поддержка устойчивости склонов и выемок.

4.Улучшение несущей способности и снижение осадок и бокового смещения грунта при динамических и циклических нагрузках.

5.Покрытие свалок и токсичных отходов.

6.Устройство противоаварийных оболочек реакторов.

7.Снижение вибрации и ее воздействие на оборудование и человека.

8.Метод глубинного смешивания применяется для устройства как временных, так и постоянных сооружений не только на суше, но и на шельфе моря (рис. 5.1).

133

5.2. Практическое применение технологии глубинного смешивания

Метод глубинного смешивания интенсивно применяется и исследуется в Индии и Японии с 1975 г. [76,149]. В Японии исследования и разработка этого метода были начаты в исследовательском институте Порт Харбор (Port and Harbour). Фундаментальные исследования механических свойств закрепленных грунтов были рассмотрены в первой главе.

Исследования Nagaraj et al. [146] концентрировались на основных аспектах исследования кинетики прочности при высоком содержании добавляемой при смешивании глины и цемента воды. До этого рядом авторов [110, 191, 193] и другими исследовалась лабораторная прочность и деформационные характеристики стабилизированных (упрочненных) мягких глин при частном значении количества воды. Для улучшения качества смешивания грунта с цементом в МГС цемент предварительно перемешивается с водой, а затем с грунтом, в котором также находится вода. Поэтому поведение стабилизируемого материала в различных грунтовых условиях не может быть объяснено на частном уровне содержания воды. Исходя из этого, Nagaraj T.S. [146] предложил использовать новый коэффициент в виде отношения содержания воды в глине (%) к цементу (%), wc/c, как стандартный параметр для изучения инженерного поведения стабилизированных мягкопластичных глин при высоком содержании воды.

С момента введения метода глубинного смешивания его применение становится более разнообразным, оборудование постоянно совершенствуется, а добавки улучшаются. В результате усилий исследователей и вследствие накопления практического опыта метод глубокого смешивания получает широкое распространение во многих странах мира. В последние годы разрабатываются гибридные методы.

Различные условия смешивания и твердения могут давать различия между полевым и лабораторным способом смешивания грунтов с добавками (рис. 5.3). В разных странах используется различная техника для смешивания грунтов, поэтому сложно сравнить между собой прочность материала, полученную в полевых и лабораторных условиях. Однако, если использовать одну и ту же процедуру и технику смешивания с контролем качества работ, то становится возможным сравнить между собой полевые и лабораторные исследования. Так, из опыта работы в Швеции [170] известно, что в мягких пластичных глинах прочность, полученная в полевых условиях, менее прочности в лабораторных условиях от 20 до 50% (рис. 5.3).

Метод глубинного смешивания цемента с грунтом популярен в Японии, где разработали процедуру контроля качества работ, основным элементом которой является скорость вращения лопасти миксера, что позволяет использовать оборудование различных производителей. При

135

136

Рис. 5.5. Принципы выполнения глубинного смешивания [79]

138

Глубинное смешивание выполняется двумя методами: сухим методом, когда вяжущее подается воздухом, и мокрым, когда вяжущее подается в виде раствора.

В сухом методе вяжущим обычно является смесь цемента и негашеной извести или комбинация цемента, извести, гипса, шлака золы в гранулированном или дисперсном виде. Воздух используется для подачи вяжущего в грунт. Влажность грунта должна быть не менее 20%. В мокром методе в качестве вяжущего в большинстве случаев используется цемент.

Сухой метод первоначально использовался для улучшения свойств связных грунтов, в то время как мокрый метод использовался преимущественно для улучшения характеристик сыпучих грунтов.

Сухой метод выполняется в соответствии с некоторыми общими правилами. Подача вяжущего в грунт в сухой форме выполняется сжатым воздухом. За рубежом в основном используется техника двух стран: Норвегии и Японии.

Процесс глубинного смешивания является сложным и включает несколько фаз, кроме того имеются факторы, которые оказывают влияние на сам процесс и результаты закрепления грунтов. Имеется ряд требований к методологии испытаний и факторы, которые должны быть учтены. Эти факторы приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Факторы, которые должны быть учтены при глубинном смешивании [117]

5.3. Технологии глубинного смешивания

Работы по улучшению грунта методом глубокого смешивания включают в себя следующие операции: установку оборудования, погружение и выдергивание вала установки. В течение погружения устройства смешивания режут и разрушают грунт до желаемой глубины. В течение выдергивания при постоянной скорости вяжущее инъецируется в грунт с постоянной скоростью. Лопасти смесителя вращаются в горизонтальной плоскости и смешивают грунт и вяжущее. Имеются, однако, некоторые различия в машинах, в которых вяжущее инъецируется или в течение фазы погружения, или в фазе погружения и фазе выдергивания вала установки.

139

В зависимости от необходимой глубины стабилизации грунтов на практике применяются две технологии. В первой для смешивания грунта с вяжущим используется один миксер, расположенный в нижней части буровой штанги (рис. 5.6, 5.7). Во второй технологии используется одновременно несколько миксеров с режущими лопастями (рис. 5.8), размещенные равномерно по длине буровой штанги.

Рис. 5.6. Схемааустройства цементо-грунтовой колонны (аб)

и общий вид машины (б) (http://www.raito.co.jp)

На рис. 5.6 а показана последовательность устройства цементо-грунто- вой колонны диаметром 1,4-2,5 м, а на рис. 5.6 б – машина для смешивания.

Механизм для смешивания (миксер) представляет собой комбинацию режущих лезвий, которые могут вращаться различным образом. В нижней части штанги лезвия вращаются по часовой стрелке, а верхней части против часовой стрелки. Подобный прием позволяет смешать вяжущее с грунтом более однородно, что обеспечивает более высокое качество и, как следствие, прочность цементо-грунтовой колонны.

Производство работ по устройству цементно-грунтовой колонны выполняется в следующей последовательности. Вначале смесительная машина устанавливается на заданной точке (рис. 5.6). Затем миксер погружается в грунт и в образовавшуюся скважину подается раствор с компонентами вяжущего. На третьем этапе штанга с миксерами, вращаясь, поочередно поднимается и опускается, смешивая грунт с вяжущим. После завершения процесса перемешивания штанга извлекается из грунта.

а б в

Рис. 5.7. Машина с двумя миксерами (а), машина с тремя миксерами (б); машина с двумя миксерами, которые могут применяться раздельно (в)

(http://www.raito.co.jp)

140