Развитие теории и практических методов возведения многоэтажных монолитных жилых зданий на слабых грунтах в стесненных условиях

Для исследования применения был выбран пленкообразующий материал, представляющий собой водорастворимый полимер. Целью исследований являлась оценка влияния пленкообразующего покрытия на процессы испарения воды при твердении бетона и формирования структуры, а также влияния на прочность и морозостойкость бетона. Экспериментальные исследования были выполнены на мелкозернистом бетоне в лабораторных условиях.

Для опытов были изготовлены образцы с размерами 10x10x10 см. Часть образцов была защищена покрытием, предотвращающим испарение влаги с поверхности бетона. Покрытие наносили после исчезновения блеска воды на поверхности, что соответствовало началу процесса контракции. Расход материала покрытия составлял 300 г/м². Часть образцов покрытием не защищалась. Через сутки после приготовления образцов извлекали из форм и все поверхности, кроме рабочей верхней грани, изолировали парафином.

Испарение влаги могло происходить только через верхнюю рабочую грань. Во время испытаний часть образцов с покрытием и без покрытия находилась в термостате при температуре 30°С и относительной влажности 50-60%, а другая часть образцов с покрытием и без покрытия - в лабораторном помещении при температуре 18-20°С и относительной влажности 50-60%.

Измерение сопротивления бетона выполнялось через 2, 22, 28 часов и далее через 2, 3, 6, 8, 10, 13, 20 и 31 сутки после формовки образцов.

Испытания показали, что сопротивление образцов из бетона с защитным покрытием в процессе испытаний увеличивалось медленно и мало отличалось на различной глубине. Некоторое различие можно отметить лишь в конце испытаний (31 сутки), когда несколько большее сопротивление было на глубине до 20 мм.

При отсутствии защитного покрытия наблюдалось сильное увеличение электрического сопротивления после 3 суток испытаний образцов, особенно в слое толщиной до 20 мм. Электрическое сопротивление бетона в конце испытаний было существенно выше по сравнению с сопротивлением бетона, защищенного покрытием.

На процессы твердения значительно влияет и температура окружающей среды. Поэтому методикой проведения исследований предусматривалось проведение точных замеров температуры.

- применение защитного покрытия сильно замедляет испарение воды, что создает более благоприятные условия для твердения бетона;

- процесс обезвоживания бетона происходит, главным образом, в поверхностном слое толщиной около 2-3 см, т. е. соизмеримом с толщиной защитного слоя бетона, который в первую очередь подвергается морозной деструкции.

Контрольные образцы, оставленные также в формах, покрытием не защищались. Через сутки после изготовления образцы были взвешены и поставлены в разные температурно-влажностные условия.

Во время испытаний часть образцов с покрытием и без покрытия находилась в термостате при температуре 30°С и относительной влажности 50-60%, а другая часть образцов с покрытием и без покрытия - в лабораторном помещении при температуре 18-20°С и относительной влажности 50-60%. Определение массы образцов выполнялось в течение 30 суток после их изготовления.

Испытания показали, что потеря массы образцов из бетона с защитным покрытием на период испытания 30 суток составила при температуре 20°С - 3,3% от исходной массы, при температуре 30°С -4,0%. К этому времени потеря массы образцов без покрытия составила 5,18 и 5,43% соответственно при температурах 20°С и 30°С.

Влияние температуры на процесс влагопотерь из бетона в большей степени сказалось на образцах с покрытием.

Таким образом, нанесенное защитное покрытие уменьшило испарение воды при твердении бетонной смеси при температуре 20°С на 36%, а при температуре 30°С - на 26 %.

Результаты исследования влияния пленкообразующего покрытия на прочность бетона конструкций показывают, что образцы без покрытия, хранившиеся при температуре 18-20°С и относительной влажности воздуха 50-60% к 90 суткам имели потерю массы в среднем 7,27%, а образцы с защитным покрытием в тех же условиях - 4,51%.

Образцы без покрытия, хранившиеся при температуре 18-20°С и относительной влажности воздуха 95%, к 90 суткам показали прирост массы в среднем на 0,61%.

Результаты показали, что пленкообразующее покрытие оказывает положительное влияние на процесс твердения бетона, и в конечном счете, на прочность бетона. Прочность бетонных образцов с покрытием, хранившихся в условиях при температуре 18-20°С и относительной влажности 50-60%, составила к 90 суткам 21,1 МПа, прочность бетонных образцов без покрытия, хранившихся в условиях при температуре 18-20°С и относительной влажности 95%, составила к этому времени 20,6 МПа. При этом прочность бетонных образцов без покрытия, хранившихся в условиях, аналогичных условиям твердения образцов с покрытием, составила всего 11,2 МПа (рис. 2).

Шестая глава диссертации посвящена исследованиям эффективных технологий устройства свайных фундаментов для многоэтажных жилых зданий на слабых грунтах в стесненных условиях.

Исследования, проведенные на территории Московской области, показывают, что, несмотря на принимаемые меры, не уменьшается количество деформаций и разрушений существующих зданий при пристройках к ним новых сооружений.

По результатам исследований на толщах водонасыщенных глинистых грунтов г.Химки было установлено, что через 6 суток после забивки, рост несущей способности свай, по сравнению с первоначальным значением составил для одиночных свай от 20 до 38 %. Рост несущей способности свай по сравнению с первоначальным значением после 30 суток «отдыха» для площадок №1, 2 и 3 составил соответственно 35,1, 96,4 и 109,6 %. После 60 суток «отдыха» эти значения для площадок №1, 2 и 3 составили соответственно 50,2, 114,5 и 130,1 %.

После 30 и 60 суток «отдыха» несущая способность свай по сравнению с первоначальным значением для площадок №1, 2 и 3 возросла в 1,35, 1,96 и 2,10 раза и 1,58, 2,15 и 2,31 раза соответственно. (Рис. 3).

Увеличение несущей способности свай произошло в основном за счет увеличения сил трения по боковой поверхности свай. Увеличение сил по боковой поверхности свай для грунтов при изменении показателя текучести от 0,6 до 0,3 от 2,45 до 5,41 раза. (Рис. 4).

Исследования погружения свай вдавливанием вблизи существующих зданий на слабых грунтах показали, что одним из способов эффективного погружения является применение лидерных скважин.

Седьмая глава диссертации посвящена исследованиям влияния колебаний грунта при забивке свай на существующие здания сейсмометрическим методом.

Основной задачей исследований являлось установление степени влияния колебаний грунта при забивке свай дизель-молотами на близрасположенные здания и сооружения применением современной аппаратуры и компьютерных программ. Современная сейсмометрия располагает набором измерительных средств и возможностей обработки данных, позволяющих выявлять и оценивать параметры очень слабых колебаний. Это стало возможным благодаря появлению возможности цифровой регистрации и современной аналоговой элементной базы. Опытно-методические работы по записям слабых колебаний, возбуждаемых различными техническими устройствами в окружающей их среде (грунтах и на более глубоких горизонтах, зданиях и пр.) выявили ряд новых фактов. Это, прежде всего, накапливание изменений и появление необратимых процессов в среде при длительных воздействиях даже очень слабых колебаний. Следует отметить изменение пористости материалов, водонасыщенности, накапливание напряжений на концентраторах (дефектах), рост микротрещин, изменение скоростей химических процессов (выщелачивания и пр.). Для обеспечения сохранности существующих зданий особое внимание должно быть правильному и обоснованному проектированию и устройству свайных фундаментов на основе щадящих технологий. Необходимость устройства свайного фундамента должна быть установлена на основе вариантного рассмотрения различных способов устройства оснований зданий.

При исследованиях была использована сейсмометрическая цифровая портативная малоканальная станция, разработанная для инженерно - сейсмометрических задач и сейсмического микрорайонирования. В каждой из обследуемых точек ведется одновременная регистрация тремя сейсмическими каналами компонент вектора скорости смещения (или ускорения). Возможно параллельные измерения вариаций атмосферного давления с помощью микробарографа.

Для возможности универсального использования сейсмометров без встроенных усилителей, сигнал с выхода сейсмометров подается на предусилители Ус с постоянным коэффициентом усиления К=100, питание предусилителей может быть автономное от батареек или передаваться по сейсмическому кабелю (косе).

Принятая пространственная система наблюдений позволяет оценить распределения воздействия удара по объему здания и на отдельные выступающие консольные элементы.

Детальное рассмотрение показывает, что временные интервалы между строенными импульсами внутри единичного удара распределяются следующим образом - между первым и вторым интервал нарастает, между вторым и третьим - уменьшается в процессе забивки с каждым следующим ударом, т.е. при вхождении сваи вглубь слоя.

Средний временной интервал между 1-м и 2-м импульсами равен 0,05 с, между 2-м и 3-м - 0,15 с. Существенно, что 2-ой и 3-ий импульсы находятся в противофазе с 1-м. Все это дает возможность предполагать, что тут мы видим запись прямой волны от удара, а обмена на кровле слоя и отражения от подошвы слоя, в который входит свая.

По инженерно-геологическим данным предполагая, что скорости распространения упругих волн лежат в интервале 1,5-2,5 км/с, скорости поперечных волн - можно оценить как 0,5-0,07 км/с. Учитывая, что компонента Y регистрирует, в основном поперечные волны, возникающие при ударе, т.е. поперечную прямую и отраженные, а также обменную S-P, получаем оценку расстояний от конца сваи до соответственно кровли и подошвы слоя 2-3 м и 8-9 м.

Это хорошо согласуется с данными инженерно-геологических изысканий, учитывая появление в нижней части слоя моренных отложений прослоев с возможным водонасыщением, что является для поперечных волн отражающей границей.

Ниже приводятся результаты изучения воздействия ударов на существующее здание.

Для характеристики оценки воздействия ударов по высоте здания сопоставим спектры записей на грунте и на 1 и 8 этажах по одной вертикали - у лифта. Анализ спектров показывает следующее:

- уровни колебаний, характерных для единичного удара - широкополосного максимума на центральной частоте 10 Гц, при переходе сигнала с грунта на здание меняются следующим образом: на 1 этаже снижаются примерно в 3 раза (по мощности на порядок) на всех компонентах по сравнению с таковыми на грунте, на 8 этаже - горизонтальные компоненты по уровню такие же, как и на 1 этаже, а вертикальная компонента возрастает по уровню примерно вдвое по сравнению с таковой на грунте и в 5 раз по сравнению с 1 этаже;

- по частоте - низкочастотные максимумы, связанные с ритмом ударов не проходят в здание за исключением пика на частоте 2 Гц, который проявляется в виде возбуждения собственных колебаний здания;

- ударные воздействия на 1 этаже практически не возбуждают интенсивных собственных колебаний, но они проявляются на 8 этаже.

Таким образом, основное воздействие на здание ударов при забивке свай проявляется на верхнем этаже, причем как на частотах, характерных для удара, так и идет возбуждение колебаний на собственных частотах здания.

Возбуждение колебаний в здании на относительно высоких частотах (около 10 Гц) может привести к резонансным явлениям для отдельных конструктивных элементов здания, особенно консолей. Были проведены измерения на балконе 8 этажа. Полученные спектры сравнивались с данными по измерениям на 8 этаже, но внутри корпуса. Видно, что основное различие проявляется в усилении колебаний на частоте 20 Гц на балконе.

Экспериментальные измерения проводились в точках на 1 этаже здания. Результаты были представлены в виде спектров мощности. Сопоставление графиков показывает следующее.

В разных точках плана колебания здания, вызываемые воздействием ударов при забивке свай, практически одинаковые по форме спектра и уровням.

Наибольшие различия проявляются на компоненте, регистрирующей колебания поперек корпуса здания (направление - на источник сигналов). Здесь спектр отклика на воздействие представлен двугорбым максимумом с частотами пиков примерно 5 и 10 Гц. По мере удаления от источника по плану здания наблюдается относительное уменьшение интенсивности пика 5 Гц и увеличение для пика 10 Гц. Такая особенность связана, по-видимому, с устройством фундаментов здания.

Полученные результаты позволили составить сводную таблицу абсолютных уровней ускорений в разных точках (табл. 1).

Таблица 1

1. Ударные воздействия при забивке свай создают в здании поле колебаний, состоящих из импульсной части и возбуждении колебаний на собственных частотах здания.

2. Доминирующими по ускорениям являются импульсные колебания, ускорения на собственных частотах на порядок слабее.

3. Амплитуды колебаний различаются по пространственному и конструктивному решению объема, наибольшие различия наблюдаются по высоте и на концентраторах напряжений.

4. На первом этаже наблюдается ослабление колебаний (по ускорениям примерно вдвое) по сравнению с грунтом, а на верхнем этаже здания ударные воздействия характеризуются увеличением ускорений примерно вдвое по сравнению с грунтом, различия между верхним и нижним этажом по ускорениям - примерно в 4- 5 раз,

5. Наиболее ярко эффект проявляется на вертикальной компоненте колебаний.

6. Проведенное исследование воздействия процесса забивки свай в глинистых грунтах показало, что сейсмометрический метод является удобным и технологичным инструментом для решения ряда новых задач по определению влияния колебаний на близрасположенные здания.

Рис. 7. Результаты исследования влияния добавки суперпластификатора С-3 на технологические (а) и физико-механические характеристики смесей и бетонов (б). 1- без добавки; 2- С-3 в количестве 0,4 %; 3, 4 тоже 0,8 и 1,2 %. I-III - кинетика набора прочности тяжелым бетоном с добавкой С-3: I - 1%; II - 2%; III - 2,5 % от массы цемента

Отечественными учеными разработаны комплексные гиперпластификаторы «Хидстал-ГП», для товарного бетона, обеспечивающие сохранение подвижности до 3,5 ч, что исключительно важно при транспортировании смесей. При суточном выдерживании в нормальных условиях достигается 60...70% проектной прочности бетоном.

Применение различного рода пластифицирующих, воздухововлекающих и других типов добавок зависит от минералогического состава цемента. Для одних цементов введение С-3 приводит к повышению подвижности, снижению расхода воды до 20 %, более раннему набору прочности и повышению физико-механических характеристик. Цементы с отличным минералогическим составом приводит в ряде случаев к замедлению набора прочности, а снижение В/Ц не всегда обеспечивает повышение прочности бетона.

При использовании бетонов с пластифицирующими добавками, следует учитывать то обстоятельство, что для некоторых цементов процесс тепловыделения существенно смещается. При введении суперпластификатора в смесь формирование структуры цементного камня отдаляется, что свидетельствует о смещении во времени интенсификации его твердения. Это обстоятельство существенно влияет на технологию производства работ и вызывает ряд негативных последствий.

Приготовление бетонной смеси осуществляют в смесителях принудительного или гравитационного перемешивания.

Приготовление бетонной смеси в смесителях принудительного типа более эффективно для получения однородных смесей высокой подвижности с расходом цемента более 250 кг/м³. Смесители принудительного действия основаны на создании эффекта турбулизации смесей.

Использование турбулентных режимов позволяет интенсифицировать процесс приготовления бетонных смесей за счет сокращения времени перемешивания по сравнению с гравитационными смесителями с 3 - 5 мин до 60 - 90 с.

Повышение однородности компонентов смеси достигается при более интенсивных режимах перемешивания, когда критерий Фруда достигает значений 30 - 35 (против 0,3 - 0,5 для смесителей гравитационного типа).

Как показали исследования эффективных способов доставки бетонной смеси на строительные объекты, в стесненных городских условиях, при ограниченных размерах строительных площадок, при больших объемах бетонных работ и необходимости непрерывного обеспечения строительства проектного качества и класса бетоном эффективным является централизованная поставка бетонной смеси, приготовленной на заводах, оборудованных современными приборами и оборудованием. Этим требованиям отвечают современные специализированные средства автотранспорта для перевозки бетонных смесей - автобетоносмесители. Изучение эффективных способов уплотнения бетонной смеси показало, что от качества уплотнения зависят плотность и однородность бетона, а следовательно, его прочность и долговечность. При уплотнении из бетонной смеси удаляется воздух. Для удаления воздуха высокопластичные смеси необходимо уплотнять кратковременным воздействием вибрации.

Организация бетонных работ специализированными потоками и звеньями позволяет более рационально использовать комплект опалубки и крановое оборудование, исключить технологические перерывы, повысить ритмичность и качество работ.

Рис. 8. Трудозатраты (Т) на 1 м³ уложенного бетона в зависимости от количества этажей (N): 1 - при использовании крана ХАСО-125 (Испания); 2 - при использовании бетононасоса «Putzmeister» ВSA-1407-D

В диссертационной работе обобщены результаты теоретических, экспериментальных исследований и внедрения комплекса новых технологических решений в области устройства подземных частей и бетонных работ при строительстве многоэтажных монолитных жилых зданий на слабых грунтах в стесненных условиях.

1. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования проблем строительства многоэтажных монолитных зданий в стесненных условиях, на площадках со сложными инженерно-геологическими, гидрогеологическими условиями позволили создать комплекс эффективных технологий производства работ на различных этапах строительства, в совокупности обеспечивающих высокий уровень производительности труда за счет полной механизации процессов и высокое качество строительной продукции за счет полного исключения технологических нарушений.

Применение результатов исследований в процессе расчета и проектирования многоэтажных зданий, а также организация строительных работ по предложенным технологиям обеспечивает круглогодичное возведение монолитных конструкций зданий и позволяет сократить себестоимость строительных работ от 10 до 20 %, что вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

2. Теоретически исследованы и экспериментально доказаны эффективные технологии устройства свайных оснований зданий на слабых водонасыщенных глинистых и насыпных грунтах в стесненных условиях.

Исследованиями обоснованы и экспериментально установлены технологические регламенты, комплекты машин, механизмов и оборудования, обеспечивающие качественное возведение свайных фундаментов многоэтажных монолитных зданий на слабых грунтах в стесненных условиях. Получены количественные значения ряда технологических параметров при погружении свай забивкой и вдавливанием в лидерных скважинах с учетом специфических свойств слабых грунтов оснований.

3. По результатам натурных исследований было установлено повышение несущей способности свай в слабых глинистых грунтах по сравнению с ее первоначальным значением для одиночных свай от 20 до 38 %. Прирост несущей способности свай после 30 и 60 суток «отдыха» составил 35,1, 96,4, 109,6 и 50,2, 114,5, 130,1 % соответственно для трех экспериментальных площадок.

Установлено, что увеличение несущей способности свай происходит в основном за счет увеличения сил трения по их боковой поверхности. Для глинистых грунтов с показателем текучести от 0,6 до 0,3 это увеличение достигало от 2,45 до 5,4 раза.

4. Исследования динамического воздействия от забивки свай на грунты и прилегающие здания показали, что сейсмометрический метод является надежным и технологичным инструментом для решения новых задач о возможности применения забивных свай вблизи существующих зданий, с учетом их технического состояния и свойств грунтов на строительных площадках.

5. Установлено, что погружение свай вдавливанием в лидерные скважины с заглублением концов свай не менее 1 м ниже забоя скважины обеспечивает минимальное воздействие на застройку при достаточно высокой несущей способности.

Влияние лидирующих скважин на несущую способность свай изучалось для глинистых грунтов при различной консистенции (IL) (0-0,25; 0,25-0,50 и 0,50-0,75), при диаметре лидерных скважин (dл) (dл = dc-5 см, dл = dc -10 см, dл = dc -15 см и dл =dс). Анализ несущей способности сваи с лидером и без лидера при различных соотношениях длины лидера и длины сваи показали, что при соотношениях глубины лидерных скважин и длины свай от 0,5 до 0,7 расчетная несущая способность сваи уменьшается до 20 %. Применение рыхления грунта в лидерных скважинах для вдавливаемых свай позволяет уменьшить радиус зоны расструктуривания глинистых грунтов до 4- 8 d.

6. Разработаны и усовершенствованы технологии круглогодичного индустриального возведения многоэтажных монолитных зданий. Для реализации технологий использованы математические модели температурных полей твердеющего бетона с применением греющих проводов, обеспечивающих высокую степень однородности физико-механических характеристик бетонов при использовании управляемых режимов теплового воздействия. Разработанные технологии позволяют интенсифицировать процессы возведения здания с обеспечением высокой технологичности и обеспечивать их эксплуатационную надежность.

7. Проведены теоретические и лабораторные исследования, которые показали, что конечные свойства бетона определяются сформированной в процессе его твердения структурой и что на её формирование самое непосредственное воздействие оказывают температурный фактор и процессы влаго- и массопереноса. При обеспечении теплозащиты свежеуложенного бетона конструкций главенствующим оказывается температурный фактор, под влиянием которого происходит как набор бетоном прочности, так и формирование термонапряженного состояния. Установлено, что в условиях неравномерных температурных полей прочность бетона в различных частях конструкции может оказаться неодинаковой. Это подтверждает обоснованность предложенных методов выдерживания бетона, обеспечивающих равномерное распределение температуры в теле конструкций.

8. В исследованиях использовано моделирование формирования тепловых полей с использованием греющих проводов. Численные методы решения уравнений, позволили оптимизировать параметры удельной мощности, сечение проводов и шага их расстановки. Разработанная технология позволяет осуществлять расчет греющих проводов с учетом класса и температуры бетонной смеси, температуры наружного воздуха, применяемого типа опалубки, размеров и расположения бетонируемых конструкций.

9. Экспериментально определена зависимость влагопотерь бетона в процессе твердения от ряда технологических факторов: условий окружающей среды (температура, относительная влажность и скорость воздушного потока), времени нанесения и расхода пленкообразующих материалов от модуля неопалубленной поверхности изделий. Влагопотери бетона без защиты поверхности могут превышать 60% от воды затворения, тогда как бетон под пленкообразующими композициями теряет не более 10% влаги к окончанию термообработки.

Установлено, что пленкообразующее покрытие оказывает положительное влияние на процесс твердения бетона и, в конечном счете, на прочность бетона. Прочность бетонных образцов с покрытием, хранившихся при температуре 18-20°С и относительной влажности 50-60% составила к 90 суткам 21,1 МПа, прочность бетонных образцов без покрытия, хранившихся при температуре 18-20°С и относительной влажности 95%, составила 20,6 МПа. При этом прочность бетонных образцов без покрытия, хранившихся в условиях, аналогичных условиям твердения образцов с покрытием, составила всего 11,2 МПа. Недобор прочности составил почти 50%.

Таким образом, пленкообразующее покрытие существенно улучшает условия гидратации цемента и твердения бетона

10. Разработанные принципы и методические подходы к технологии производства, механизации арматурных, опалубочных и бетонных работ позволили создать комплексное технологическое решение, обеспечивающее интенсификацию строительных процессов и повышение качества строительных работ.

11. Разработана технология возведения монолитных зданий повышенной этажности, учитывающая эффективное использование кранов на весь период строительства, организацию бетонных работ по захваткам объемом принимаемой бетонной смеси от 545 до 1200 м³ в месяц и использование современных способов изготовления арматурных каркасов и опалубочных систем. При этом обеспечивается непрерывная подача бетонной смеси, круглогодичное применение греющих проводов и защита бетона от теплопотерь. При возведении монолитных зданий высотой до 25 этажей применение разработанной технологии позволило:

- сократить себестоимость бетонных работ до 20 %;

- снизить использование кранового времени до 32 %;

- произвести бетонные работы в пределах одного этажа по захваткам в течение 4-6 суток;

- увеличить оборот опалубок в 1,5 - 2,0 раза;

- сократить общий срок строительства объектов на 1,5 - 2,5 месяца.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ