Повышение несущей способности слабых оснований дорожных насыпей сваями-дренами

Актуальность темы

При строительстве автомобильных в ряде случаев возникает необходимость увеличения несущей способности слабых оснований дорожных насыпей. Для этих целей весьма эффективной оказалась использование конструкции из вертикальных песчаных свай-дрен, которые не только ускоряют процессы консолидации слабых грунтов основания, но изменяя условия работы грунта в слабом основании инженерных сооружений способствуют уменьшению величины их конечных осадок. Ранее проведенные исследования по изучению поведения насыпей с дренами и без дрен на слабых торфяных основаниях показало, что присутствие дрен позволяет увеличить предельную высоту насыпи с 2,5 до 6,5 м.

Это явление в настоящее время объясняется проявлением «свайного» эффекта, возникающего в слабом основании при наличии песчаных дрен и позволяющему дополнительно рассматривать эту конструкцию как обладающей дополнительной несущей способностью, а сами вертикальные дрены уже как грунтовые сваи-дрены.

Проблема увеличения несущей способности слабых оснований с помощью грунтовых свай-дрен приобретает самостоятельное звучание и особую актуальность в случаях реконструкции участков автомобильных дорог, расположенных на слабых основаниях, когда требуется повысить капитальность дорожных одежд, а следовательно и жесткость дорожной конструкции в целом. Как правило, к этому моменту процессы консолидации слабых грунтов в основании насыпей уже завершились и применение вертикальных грунтовых свай-дрен направлено только на увеличение общего модуля деформации основание за счет проявление свайного, а не дренажного, эффекта этой конструкции.

В этой связи целью диссертационной работы является разработка теоретических и методических основ прогноза степени увеличения общей несущей способности слабых оснований дорожных насыпей за счет устройства вертикальных • грунтовых свай-дрен и детальное изучение формирования напряжено — деформированного состояния (НДС)1 слабых оснований дорожных насыпей с учётом устройства грунтовых свай.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе выполненных теоретических исследований и моделирования слабых оснований методами численного анализа — метод конечных элементов (МКЭ):

• Установлены основные закономерности и особенности формирования. компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) слабых оснований дорожных насыпей при наличии грунтовых свай-дрен- .

• ¦ выявлены закономерности, особенности и условия формирования зон. предельногосостояния толщи насыпных ", грунтовперекрывающих свайное основание, и их взаимосвязь с геометрическими параметрами грунтовых свайУстановлена, степень влияния на равномерность накопления осадок дорожной* насыпи ее высоты, диаметра грунтовых свай-дрен и • расстояний между их осямиколичественно определены минимальные высоты дорожных насыпей (или толщины слоя насыпных грунтов), при которых деформации осадою их поверхности носит равномерный характер;

• установлено, что эффективность использования, грунтовых свай в качестве мероприятия по повышению несущей способности слабых основанийзависит от соотношения*, прочностных параметров грунта, используемого для устройства свай, грунта оснований и степени насыщения грунтовыми сваями основания.

Практическая ценность работы: состоит в дальнейшем совершенствовании методических основ проектирования дорожных конструкций, сооружаемых в сложных инженерно-геологических условиях, позволяющих более обосновано использовать грунтовые сваи-дрены в качестве конструктивно-технолического мероприятия, напрвленного на. увеличение несущей способности земляного полотна на слабых основаниях.

Апробация работы и публикации по теме диссертации:

1. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) в 2010 г.

2. Чан Куок Дат. Роль грунтовых свай в повышении несущего способности слабых оснований / Чан Куок Дат // Научный транспортно-коммуникациионный Жур-л, Ханойский институт транспорта и коммуникации, Вьетнам, 2009, № 27. С.63−66.

3. Добров Э. М., Чан Куок Дат, Jle Суан Тхо. Грунтовые сваи — эффективный метод в усилении слабых оснований / Э. М. Добров, Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо // Вьетнамский мостовой и дорожный Жур-л, Научно-технические сообщество по мостам и дорогам, Министерство транспорта, Ханой, Вьетнам, 2010, № 7. С.50−54.

4. Добров Э. М., Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо. Оценка эффективности усиления слабых оснований дорожных насыпей грунтовыми сваями / Э. М. Добров, Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо // Жур-л «Транспортное строительство» М. 2010, № 7. С.9−12.

— 81. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Выполненные в прошлом веке в США и России исследования по изучению работы оснований с вертикальными песчаными дренами позволили установить, что песчаные дрены могут не только значительно ускорить процессы консолидации оснований, но и значительно повысить их устойчивость, проявляя тем самым дополнительную их способность к проявлению свайного эффекта.

2. Вместе с тем настоящего времени остаются до конца не выясненными особенности формирования напряженно — деформированного состояния оснований дорожных насыпей прн наличии в них грунтовых свай-дрен и степень влияния этого фактора на эффективность конструкции, особенно в части учета ее особенностей не как дренирующей системы, а как свайной конструкции. Эта проблема для ряда регионов России и Вьетнама приобретает особую актуальность, учитывая широкую распространенность слабых покровных отложений, которые часто оказываются в основании дорожных насыпей.

3.Нами, используя метод конечных элементов (МКЭ), изучены особенности формировании напряженно — деформированного состояния (НДС) элемента грунтовой толщи слабого основания с учётом различных параметров его вертикальной неоднородности по прочностным и деформационным характеристикам, моделирующих условия работы слабого грунта и грунтовой сваи-дрены.

4. Экспериментально выявлены основные особенности НДС слабых оснований при устройстве свай-дрен и получены аналитические зависимости, позволяющие оценить степень влияния их диаметра, длины, сближения, мощности слабого слоя и его прочностных и деформационных характеристик на увеличение несущей способности основания в целом.

5. Аналитически и экспериментально установлено, что чем ближе расположены грунтовые сваи и больше их диаметр (коэффициент сближения ш" и степень насыщения слабого основания грунтом свай увеличивается), а также, чем больше разница в величинах коэффициентов и £св (и следовательно в углах внутреннего трения слабого грунта cpw и грунта сваи — фсв), тем выше будет прогнозируемая эффективность устройства свайного основания.

6. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований по численному моделированию условий работы слоя насыпного грунта (дорожной насыпи) на слабом основании и, усиленном грунтовыми сваями, было установлено, что характер развития зон предельного состояния по критериям Н. П. Пузыревского, несколько отличается от условий их формирования в основаниях сооружений из-за иных условий проявления взаимосвязи давления от собственного веса грунта и реакции оголовка грунтовой сваи.

7. Повышение сближения свай «т» (или степени насыщенности песком слабого основания), уменьшает как сумму главных напряжений, так и их разницу, что в свою очередь снижает уровень максимальных касательных напряжений и уменьшает возможность появления точек пластичности в межсвайном пространстве.

8. Модуль деформации грунта (песок, гравийно-песчаная смесь, щебень и т. п.) сваи и его сдвиговые характеристики играют существенную роль в факторе увеличения устойчивости и значительного уменьшении осадки слабого основания в целом.

9. Мощность насыпного слоя, диаметр грунтовых свай и расстояние между их осями должны быть согласованы, чтобы обеспечить однородность полей НДС в массиве грунта (слой насыпного грунта насыпи), лежащего над сваями-дренами.

10. Для обеспечения требуемой равномерности осадок насыпи при одной и той же степени насыщенности слабого основания грунтовыми сваями-дренами того или инего диаметра следует ограничивать минимально допустимую мощность насыпного грунта учитывая, что чем меньше степень насыщения слабого грунта сваями, (замены), тем выше влияние на hjf1″ их диаметра D и тем выше опасность проявления неравномерных деформаций насыпного грунтароль диаметра нивелируется только при достижении степени насыщения основания сваями 20% - 30%.

11. Предложены практические рекомендации по методам проектирования и расчета степени повышения несущей способности слабых оснований дорожных насыпей за счет учета свайного эффекта вертикальных песчаных свай.