+ 7 (499) 170 69 53

+ 7 (499) 170 70 13

РАЦИОНАЛЬНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА ПЛОЩАДКАХ СО СЛОЖНЫМИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ

Аннотация: В работе приводятся сведения о рациональном способе определения деформационных характеристик грунтов основания зданий и сооружений на площадках со сложными инженерно-геологическими условиями, который позволяет определять параметры консолидации. Приводятся результаты реализации данного способа на примере строительства объекта "Москва - Сити".

УДК 624.131.37
А.Н. Труфанов1,2, Х.Н. Мажиев2,3,4, Д.К-С. Батаев2,3,4, А.З. Абуханов2,3, Аслан Х. Мажиев2, Адам Х. Мажиев2
НИИОСП им. Н.М. Герсеванова1, г. Москва;
ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова2, Академия наук ЧР3,
КНИИ им. Х.И. Ибрагимова РАН4, г. Грозный

Территория Чеченской Республики отнесена к району со сложными инженерно-геологическими условиями: высокая сейсмичность (9-10 баллов), просадочные грунты, оползневые и русловые процессы, наличие техногенных углеводородных залежей на небольшой глубинеи др. При проведении инженерно-геологических изысканий в г. Грозный и других городах республики, на площадках, предназначенных для строительства высоких зданий и сооружений, следует учитывать особенности, связанные со слабой изученностью грунтов ниже 40 м, высоким уровнем нагрузок при испытании грунтов, проведением полевых испытаний на больших глубинах и отсутствием достаточной нормативной базы.
В центральной части г. Грозный, на площадке, примыкающей к реке Сунжа, напротив комплекса высотных зданий Грозный-Сити 1 [11, 12] планируется строительство многофункционального высотного комплекса «Ахмат Тауэр», высотой 400 м,ориентировочной общей площадью 235 000 м2, расположенного на участке площадью 12,6 га (рис. 1). Учитывая уникальность строящегося объекта, проведение инженерно-геологических изысканий(рис. 2) и техническое сопровождение строительства поручено ведущим изыскательским, проектным и научно-исследовательским организациям страны, среди которых НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова, Академия наук ЧР, КНИИ им. Х.И.Ибрагимова РАН. Это позволяет при проведении изыскательских, проектных и строительных работ использовать инновационные разработки сотрудников наших организаций, связанные с материалами, технологиями и конструкциями, применяемыми в современном строительстве[4,6,9-12].

Схема расположения площадки строительства МФК «Ахмат-Тауэр»Рисунок 1 – Схема расположения площадки строительства МФК «Ахмат-Тауэр»

Инженерно-геологические изыскания сопряжены с проведением большого объема лабораторных исследований грунтов. Одним из наиболее продолжительных видов лабораторных испытаний являются компрессионные испытания грунтов. Классическая схема нагружения, соответствующая стандартам [2,5,7,8], предусматривает нагружение образца грунта ступенчато возрастающими статическими нагрузками. Причём продолжительность выдержки образца на каждой ступени нагрузки определяется из условия достижения образцом условной стабилизации.
 Во время бурения первых скважин на площадке строительства МФК «Ахмат-Тауэр»

Рисунок 2 – Во время бурения первых скважин на площадке строительства МФК «Ахмат-Тауэр»

Для снижения продолжительностикомпрессионных испытаний был предложен метод релаксации напряжений (МРН), патент №2272101 [3]. Суть метода заключается в принудительном ступенчатом деформировании образца грунта на заданную величину в условиях двухсторонней фильтрации с последующим отслеживанием изменения напряжения и деформации. Данный метод успешно используется в практике изысканий целого ряда организаций России. Значительное сокращение продолжительности компрессионных испытаний послужило основанием для поиска новых областей применения данного рационального способа в практике изысканий и образовательном процессе. Одной из первых площадок для внедрения МРН, среди образовательных учреждений России, стала кафедра «Строительные конструкции» ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова, где начаты подготовительные работы, связанные с применением рассматриваемого метода при проведении лабораторных исследований по дисциплине «Механика грунтов».
Кроме определения деформационных характеристик метод МРН можно использовать и для получения других характеристик. Предметом настоящей статьи является новый способ определения параметров консолидации (патент № 2475591) [4].
Консолидационные испытания являются, пожалуй, самым продолжительным видом лабораторных испытаний. В результате этогоих стараются не включать в составинженерно-геологических изысканий.Между тем,развитие осадок во времени в последующий за строительством период жизни сооружения может привести к возникновению аварийных ситуаций.При наличии в активной зоне под сооружением толщи слабо фильтрующих глинистых грунтов, прогноз развития осадок фундамента сооружения во времени необходим.

График изменения скорости деформации Vε от деформации ε на ветви релаксацииРисунок 3 – График изменения скорости деформации Vε от деформации ε на ветви релаксации

Суть рассматриваемого метода заключается в том, что, в соответствии со стандартом организации (СТО) [1], проводятся обычные компрессионные испытания в режиме релаксации напряжений, при этом ступени нагружения выдерживаются дольше – до гарантированного завершения фильтрационной консолидации и выхода на вторичную консолидацию. Определить это можно по графику зависимости скорости деформации Vεот деформации ε (рис. 3).
Завершению фильтрационной консолидации соответствует скорость деформации, полученная по точке пересечения двух прямых. Первая прямаяпроводитсяк верхнему линейномуучастку графика, соответствующему фильтрационной консолидации. Вторая прямая проводится к нижнему линейному участку графика, соответствующему процессу вторичной консолидации.
Наданных графиках, построенных для всех ступеней, выделяются точки с выбранными скоростями деформации, например: 0.01, 0.005, 0.002, 0.001, 0.0005, 0.0002, 0.0001, 0.00005, 0.00002 и 0.00001 мм/мин. Соответствующие данным точкам значения деформаций откладываются на ветвях релаксации напряжений основного графика (рисунок 4 а). Через данные точки проводятся плавные компрессионные кривые, соответствующие выбранным скоростям деформирования.
 построение кривых, по выбранным скоростям консолидации;проведение секущей по выбранномудавлению консолидации

Рисунок 4 – Этапы графической обработки:
а) построение кривых, по выбранным скоростям консолидации;
б) проведение секущей по выбранномудавлению консолидации

Для давления, соответствующего нагрузке от сооружения,проводится секущая линия – АВ (рис.4б). По точкам пересечения данной линии с построенными компрессионными кривыми определяются значения соответствующих деформаций.
Путем пересчета определяются значения деформаций и времени, по которым строятся соответствующие графики зависимости деформации от времени. Далее производится определение параметров консолидации по методу Тэйлора (метод квадратного корня) в координатах деформация – корень квадратный из времени или по методу Терцаги (логарифмический метод). Соответствующие данным методам графики приведены на рисунках 5 и 6.
В соответствии с ГОСТ 12248 [2] по двум из приведенных методов определяется значения коэффициента фильтрационной (первичной) консолидации. Значение вторичной консолидации определяется по «логарифмическому методу».

График обработки кривой консолидации методом – «корень квадратный из времени»Рисунок 5– График обработки кривой консолидации методом – «корень квадратный из времени»

График обработки кривой консолидации «логарифмическим методом»Рисунок 6 – График обработки кривой консолидации «логарифмическим методом»

Примером реализации предлагаемого метода на практике явилось его использование на объекте строительства «Москва-Сити» (участки 17 и 18). Для данного объекта было выполнено 12 испытаний по определению коэффициента фильтрационной Cv и вторичной Cα консолидации под Апартаментной и Офисной башнями. Результаты определений под Апартаментной и Офисной башнями рассматривались совместно. Всего для ИГЭ 8 было выполнено 4 испытания по два на каждую башню и 8 испытаний для ИГЭ 12 (по 4 для каждой башни) было выполнено по 2 испытания для ИГЭ 8 и по 4 испытания для ИГЭ 12. Результаты определений параметров консолидации для ИГЭ 8 представлены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты определения параметров консолидации для ИГЭ 8

скважина № обр. глубина t100 t50 сv cα
Ап 8-4 17,65 76 23 0,030 0,0050
Ап 8-8 19,9 1,7 1,0 0,689* 0,0008
Оф 8-3 18,19 46 6,3 0,103 0,018*
Оф 8-7 18,99 100 24 0,029 0,0060

Как видно из представленной таблицы значения коэффициента фильтрационной консолидации для ИГЭ 8 колебались в пределах от 0.029 – 0.103 см2/мин, при среднем значении Cv = 0.054 см2/мин.
Значения коэффициента вторичной консолидации колебались в пределах от 0.0008 до 0.060, при среднем значении Cα = 0.0039.
С учетом коэффициента надежности по грунту γg равным 1,1 расчетные значения параметров консолидации можно принять равными Cv = 0.059см2/мин и Cα = 0.0043.
Результаты определений параметров консолидации для ИГЭ 12 представлены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты определения параметров консолидации для ИГЭ 12

скважина № обр. глубина t100 t50 сv cα
Ап 12-4 28,35 10 4,7 0,135 0,0040
Ап 12-8 30,05 15 8,1 0,083 0,0014
Ап 12-12 32,95 22 9,8 0,069 0,0013
Ап 12-16 34,8 28 4 0,157 0,0032
Оф 12-3 28,37 36 22 0,025 0,0071
Оф 12-7 30,02 15 8 0,084 0,0012
Оф 12-12 31,89 89 23 0,028 0,0024
Оф 12-15 33,04 20 3,4 0,179 0,0070

Анализ результатов по определению параметров консолидации для ИГЭ 12 показал, что они не изменяются с глубиной.
Значения коэффициента фильтрационной консолидации для ИГЭ 12 колебались в пределах от 0.025 – 0.179 см2/мин, при среднем нормативном значении Cv = 0.095 см2/мин.
С учетом коэффициента надежности по грунту расчетное значение коэффициента фильтрационной консолидации Cv для ИГЭ 12 составило 0.105 см2/мин.
Значения коэффициента вторичной консолидации колебались в пределах от 0.0012 до 0.0071, при среднем значении Cα = 0.0035. С учетом коэффициента надежности по грунту расчетное значение коэффициента вторичной консолидации для ИГЭ 12 составило 0.0039.
Проведенные исследования показали, что предложенный для снижения продолжительности компрессионных испытаний, метод релаксации напряжений (МРН) достаточно эффективен, т.к. требует почти в 60 раз меньше времени на проведение испытаний глинистых грунтов, по сравнению с обычной методикой проведения консолидационных испытаний.
Методика проведения компрессионных испытаний в режиме релаксации напряжений, представленная в стандарте СТО 60284311-003-2012 [1], может быть рекомендована для внедрения на строительном факультете ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова. При этом, по договоренности с  автором [3], будет юридически оформлено право на безвозмездное использование данного способа в учебном процессе ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова.

ЛИТЕРАТУРА
1.    СТО 60284311-003-2012 «Грунты. Метод компрессионных испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений» – Краснодар, 2012. –12 с.
2.    ГОСТ 12248- 2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости, М, 2011.
3.    Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов,Патент №2272101/ А.Н.Труфанов // Бюллетень изобретений - 2006. - №8.
4.    Способ лабораторного определения реологических характеристик грунтов (варианты), Патент № 2475591 / А.Н. Труфанов // Бюллетень изобретений – 2013. - № 5.
5.    Труфанов А.Н., Шулятьев О.А. Новые подходы к новым задачам. Инженерно-геологические изыскания под ОДЦ «Охта», Журнал «Высотные здания», №5/10, октябрь/ноябрь, 2010, стр.90-97.
6.    Межгосударственный стандарт ГОСТ 20276-2011, Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости, Москва, 2012.
7.    Труфанов А.Н., Мариупольский Л.Г., Пчелина И.В., «Способ трехосных испытаний грунтов, преимущественно донных», А. с. № 1231134, Б.и.№18, 1986 г.
8.    BS 1377-8: 1990 Methods of test for civil engineering purposes. British Standarts Institution. 1990.
9.    ISO/TS 17892-9:2004(E). Consolidated triaxial compression tests on water-saturated soil. 2004.
10.    ТруфановА.Н. Метод релаксации напряжений, Журнал "Основания, фундаменты и механика грунтов" №5, Москва, 2012 г., стр.7-11.
11.    Техническое обследование и экспертиза зданий и сооружений. / Д.К-С. Батаев, Х.Н. Мажиев, С-М.К. Хубаев, С-А.Ю. Муртазаев, А.Г. Шамилев – М.: Комтех-Принт, 2008 – 435 с.
12.    Мажиев К.Х., Мажиева А.Х., Батаев Д.К-С., Мажиев Х.Н. К вопросу научно-технического сопровождения строительства комплекса высотных зданий в г. Грозном // Труды молодых ученых №3. – Изд. «Терек». – Владикавказ, 2010. С. 197-201.
13.    Мажиев К.Х., Мажиева А.Х., Батаев Д.К-С., Мажиев Х.Н. Геотехнические проблемы при возведении высоких зданий в г. Грозном // Труды молодых ученых №3. - Изд. «Терек». – Владикавказ, 2010. С. 202-206.