Геотехника фундаментостроения и грунтоустойчивости


Л. М. Борозенец


ГЕОТЕХНИКА ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ И ГРУНТОУСТОЙЧИВОСТИ


Монография

Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 624.152.5+624.131
ББК 38.623+38.58
     Б83



Н а у ч н ы й р е д а к т о р: заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. В. И. Столбов

Р е ц е н з е н т ы:
заслуженный строитель РФ, почетный член РААСН, зав. лабораторией свайных фундаментов НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, доктор техн. наук, профессор Б. В. Бахолдин;
   заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор техн. наук, профессор В. И. Фёклин






       Борозенец, Л. М.

Б83        Геотехника фундаментостроения и грунтоустойчивости : моногра       фия / Л. М. Борозенец. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. -596 с.
            ISBN 978-5-9729-0499-0


       Представлены научные основы современной физики трения твердых тел, грунтоведения и механики грунтов, геотехники преобразования оснований набивных свай, фундаментов мелкого заложения и устойчивости грунтовых массивов. Рассмотрены вопросы взрывофугасной технологии грунтовытеснения скважин набивных свай и камуфлетных уширений; теории нелинейного упругопластическивязкого деформационного взаимодействия двух сдвигаемых твердых тел; физико-механического взаимодействия вытесняемых грунтов оснований набивных свай и фундаментов мелкого заложения в технологических процессах их строительства и эксплуатации. Представлена теория нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно-напряженных грунтов, аналитическая нелинейная механика грунтов; методология расчетных исследований и инженерных методов расчета. Даны подходы и приемы проектирования оснований и фундаментов рациональных конструкций, грунтоустойчивости оснований фундаментов, предельно-равновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов.
       Для специалистов научных, проектных и строительных организаций, студентов, аспирантов и преподавателей строительных направлений подготовки.

                                                          УДК 624.152.5+624.131
                                                          ББК 38.623+38.58




ISBN 978-5-9729-0499-0

   © Борозенец Л. М., 2021
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ....................................................15
Основные условные обозначения...................................19
Введение .......................................................21

РАЗДЕЛ 1. КЛАССИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГРУНТОВ

Глава 1. Научные основы физики трения твердых тел, вязких жидкостей, наклонно-плоскостных и клиновых механизмов...............25
  1.1. Внешнее трение...........................................26
  1.2. Внутреннее трение........................................30
  1.3. Наклонно-плоскостные и клиновые механизмы................30
  1.4. Обобщение результатов анализа моделей трения твердых тел, вязких жидкостей, наклонно-плоскостных и клиновых механизмов...33
  1.5. Интерпретация физических факторов сопротивления относительному движению двух сдвигаемых твердых тел............34
  Выводы по главе 1.............................................35

Глава 2. Краткая характеристика состава, строения, основных физических и физико-механических свойств нескальных грунтов.........36
  2.1. Состав грунтов............................................36
  2.2. Структура и текстура грунтов..............................38
  2.3. Контактные взаимодействия между минеральными частицами грунтов........................................................40
  2.4. Структурные связи в грунтах..............................43
  2.5. Деформационные свойства грунтов..........................47
  2.6. Прочность грунтов........................................51
     2.6.1. Сопротивление грунтов сдвигу........................51
     2.6.2. Сопротивление грунтов одноосному сжатию.............57
  2.7. Реологические свойства грунтов...........................59
  2.8. Обобщение результатов анализа моделей свойств нескальных грунтов........................................................63
  Выводы по главе 2..............................................67

Глава 3. Сущность содержания основных научных положений классических моделей расчета современной механики грунтов.............69
  3.1. Грунты и модели их механики в основаниях сооружений......69
     3.1.1. Особенности грунтов и физических процессов их деформирования..............................................69
     3.1.2. Механическая и математическая модели поведения грунтов под нагрузкой...............................................70


3

  3.2. Виды и особенности деформации грунтов под нагрузкой......73
     3.2.1. Линейные и нелинейные деформации....................73
     3.2.2. Упругие и пластические деформации...................74
     3.2.3. Объемные и сдвиговые деформации.....................74
     3.2.4. Ползучесть грунта...................................75
     3.2.5. Фильтрационная консолидация грунта..................76
  3.3. Основные расчетные модели механики грунтов...............77
     3.3.1. Теория линейного деформирования грунта..............77
     3.3.2. Теория фильтрационной консолидации грунта...........78
     3.3.3. Теория предельного напряженного состояния грунта....79
     3.3.4. Теории нелинейного деформирования грунтов...........80
  3.4. Линейная и нелинейная механика грунтов...................81
  3.5. Аннотирование основных положений механики грунтов........81
  Выводы по главе 3.............................................84

Глава 4. Представление предельного физико-механического состояния и раскрытия физической сущности сдвиговых прочностных характеристик грунтов...........................................86
  4.1. Существующие представления предельного физико-механического состояния грунтов.............................................86
  4.2. Современное состояние проблемы раскрытия физической сущности сдвиговых прочностных характеристик грунтов...................90
  Выводы по главе 4.............................................95

Глава 5. Аннотация классических научных основ и концепция исследования геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости............................................96
  5.1. Аннотирование классических научных основ.................96
     5.1.1. Физика трения твердых тел и вязких жидкостей........96
     5.1.2. Грунтоведение.......................................98
     5.1.3. Механика грунтов...................................104
  5.2. Концепция исследования геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости.........................................110
  Выводы по главе 5............................................110
  Выводы по первому разделу....................................111

РАЗДЕЛ 2. МЕХАНИКА В ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВОФУГАСНОГО ГРУНТОВЫТЕСНЕНИЯ СКВАЖИН НАБИВНЫХ СВАЙ И ИХ КАМУФЛЕТНЫХ УШИРЕНИЙ

Глава 6. Краткий обзор результатов вытеснения грунтов воздействием свай и действием энергии взырва.............................115
  6.1. Влияние механического воздействия свай на грунты........115
  6.2. Подходы к изучению действия энергии взрыва в грунтах....118


4

  6.3. Состояние измененных действием энергии взрыва грунтов.....121
     6.3.1. Зоны состояния грунтов вокруг взрывоэнергетически грунтовытесненных полостей..................................121
     6.3.2. Напряжения и деформации в области влияния взрыва в грунтах...................................................123
     6.3.3. Изменение физико-механических свойств грунтов........124
  6.4. Традиционные взрывоэнергетические способы изготовления свай.128
  6.5. Предлагаемый конструктивно-технологический принцип взрывофугасного вытеснения грунтов.............................130
  Выводы по главе 6..............................................131

Глава 7. Конструктивно-технологическое решение установки взрывофугасного и камуфлетного грунтовытеснения скважин и уширений ......................................................132
  7.1. Взрывофугасный метод вытеснения грунтов...................132
  7.2. Модель полевой макетной взрывофугасной грунтовытесняющей установки......................................................134
     7.2.1. Проектная проработка установки.......................135
     7.2.2. Устройство и порядок работы установки................137
  7.3. Взрывофугасно-камуфлетные способы грунтовытеснения уширений в забоях скважин...............................................144
  7.4. Макет полевого натурного скважиноуширителя камуфлетного грунтовытеснения в забое скважины..............................149
  Выводы по главе 7..............................................149

Глава 8. Физико-математическое развитие модели расчета давления продуктов взрыва и прочности стальных камер взрывания цилиндрической формы.............................................150
  8.1. Краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований к развитию модели расчета оболочек взрывных камер..............150
  8.2. Разработка модели теоретического определения давления продуктов взрыва в цилиндрических камерах с изменяющимся объемом.........................................152
  8.3. Развитие модели расчета прочности стальных толстостенных цилиндров при внутреннем осевом взрывании зарядов..............156
     8.3.1. Разработка методологии расчета взрывной прочности стенки цилиндра....................................................156
     8.3.2. Методология определения характера взрывной прочности стальных цилиндров камер взрывания..........................161
     8.3.3. Разработка методики расчета малоцикловой прочности стального цилиндра в условиях внутреннего взрывного нагружения........................................163


5

  8.4. Экспериментальное исследование поведения толстостенных оболочек цилиндрической формы при внутреннем
     взрывном нагружении.......................................164
     8.4.1. Методика проведения испытания на прочность стальных цилиндров в условиях внутрикамерного взрывания зарядов взрывчатых веществ...................................................164
     8.4.2. Опытная проверка достоверности модели расчета прочности стальных толстотенных цилиндров при внутрикамерном
     осесимметричном взрывном нагружении.......................165
  8.5. Динамические и статические воздействия на стенках цилиндрических камер при подрыве осевого заряда взрывчатого вещества........174
  8.6. Открытие кондесатно-вакуумного взрыва в камерах и при камуфлетах.............................................182
  Выводы по главе 8............................................184

Глава 9. Механическое взаимодействие системы машины и грунта в процессах взрывофугасного грунтовытеснения скважин и камуфлетных уширений.........................................186
  9.1. Взаимодействия энергии взрыва с скважинообразователем и грунтом....................................................186
     9.1.1. Статика корпуса, фугасника и грунта................186
     9.1.2. Динамика системы скважинообразователя и грунта.....188
     9.1.3. Кинематика фугасника и корпуса в грунте............190
  9.2. Взаимодействие энергии продуктов взрыва и грунта в процессе вытеснения камуфлетных уширений..............................194
  9.3. Методология расчетного исследования взаимодействия энергии продуктов взрыва и грунта при грунтовытеснении камуфлетных сферических уширений.........................................196
  Выводы по главе 9............................................200
  Выводы по второму разделу....................................200

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА И ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЫТНЫХ СВАЙ В БУРОВЫХ И ВЗРЫВОФУГАСНЫХ СКВАЖИНАХ

Глава 10. Изготовление отпытных буровых и взрывофугасных набивных свай .........................................203
  10.1. Устройство буровых свай................................203
  10.2. Изготовление набивных свай во взрывофугасных скважинах.204
  10.3. Выполнение набивных свай в камуфлетных взрывофугасных скважинах....................................................207
  Выводы по главе 10...........................................210

Глава 11. Натурные и лабораторные исследования грунтов оснований буровых и взрывофугасных набивных свай.......211


6

  11.1. Методика проведения натурных испытаний несущей способности свай по грунту...................................................211
  11.2. Несущая способность оснований свай в буровых и взрывофугасных скважинах..................................212
  11.3. Обследование измененного состояния грунтов околосвайных зон.214
     11.3.1. Статическое зондирование грунтов.......................214
     11.3.2. Инструментальная съемка депланации дисперсных грунтов в основаниях свай.......................................216
     11.3.3. Горизонтальная пенетрация грунтов околосвайного пространства............................................220
  11.4. Лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов....................................................222
  Выводы по главе 11.........................................223
  Выводы по третьему разделу ................................224

РАЗДЕЛ 4. МЕХАНИКА ЛИНЕЙНО-НЕЛИНЕЙНОГО
УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИВЯЗКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ В ГЕОТЕХНОЛОГИИ ВЫТЕСНЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ВЗРЫВОФУГАСНЫХ НАБИВНЫХ СВАЙ

Глава 12. Модель взаимодействия боковой поверхности ствола набивной сваи с грунтом основания ....................225
  12.1. О тождественности особенностей угла внутреннего трения грунта с углом отклонения равнодействующей составляющих напряжений от нормали.................................................226
  12.2. Положения о физико-механических взаимодействиях
      боковой поверхности ствола нагружаемой набивной сваи
      с окружающим грунтом основания.........................228
  12.3. Последовательность физических процессов взаимодействия
      боковой поверхности ствола нагружаемой набивной сваи с окружающим грунтом основания.........................238
  12.4. Теоретическое и экспериментальное исследование научной достоверности модели взаимодействия боковой поверхности ствола набивной сваи с грунтом основания...........................243
  Выводы по главе 12................................................247

Глава 13. Физико-механическое обоснование внутреннего сопротивления силовому вдавливающему и взрывофугасному вытеснению дисперсных грунтов...........................................249
  13.1. Разработка вопросов внутреннего давления и сопротивления грунтов при сдвиге в основаниях свай...............................249
     13.1.1. Стадии принудительного изменения состояния при нагружении грунтов в основаниях свай................249


7

     13.1.2. Внутреннее давление и сопротивление грунтов при сдвиге в основаниях свай...........................................250
  13.2. Предельное сопротивление взрывофугасному вытеснению грунтов..............................................257
  Выводы по главе 13.............................................258

Глава 14. Физическая сущность ретроспективных и введение новых прочностных характеристик дисперсных грунтов..............259
  14.1. Раскрытие физической сущности углов внутреннего давления и сопротивления при сдвиге грунтов..............................259
  14.2. Выявление закономерности изменения сдвиговых прочностных характеристик дисперсных грунтов в зависимости от физического состояния.......................................................265
  14.3. Разработка модели неэкспериментального определения сдвиговых прочностных характеристик грунтов и раскрытия физической сущности удельного сцепления.............................................266
  14.4. Установление зависимости значений угла внутреннего трения от изменения главных напряжений и перемещений при сдвиге грунта...............................................272
  14.5. Открытие и введение новых прочностных характеристик дисперсных грунтов четвертичных отложений..................................276
  Выводы по главе 14.............................................277

Глава 15. Модель грунта как пористодисперснофазового тела при сдвиге в основаниях фундаментов..................................278
  15.1. Канонические модели сплошной среды.......................278
  15.2. О некоторых подходах к моделированию грунтов.............279
  15.3. Механическая модель грунта как пористодисперснофазового тела...................................280
     15.3.1. Положения физико-мехаических процессов в грунте при возрастающей нагрузке...................................280
     15.3.2. Символическая схема функционирования механической модели грунта...............................................284
  Выводы по главе 15.............................................288

Глава 16. Стадии предельных физико-механических состояний грунта..289
  16.1. Анализ проявления и действия физико-механических факторов состояния грунта................................................289
     16.1.1. Лайнупругость.......................................289
     16.1.2. Квазиупругость......................................291
     16.1.3. Упругость...........................................292
     16.1.4. Упругопластичность..................................294
     16.1.5. Упругопластичновязкость.............................296


8

  16.2. Нормальные напряжения по главным направлениям как критерии пределов подстадий предельного физико-механического состояния грунтов........................................................300
  16.3. Стадии предельного физико-механического состояния грунтов как комплекс функционирования их подстадий.....................302
  Выводы по главе 16...............................................305

Глава 17. Математическая модель грунта упругопластическивязкого физико-механического состояния...........................306
  17.1. Графический метод определения пределов физико-механических состояний грунтов..............................................306
  17.2. Аналитический метод определения пределов физико-механических состояний грунтов..............................................308
     17.2.1. Прочностные характеристики грунта.....................308
     17.2.2. Коэффициенты внутреннего напряжения грунта............311
     17.2.3. Напряжения сдвига грунта..............................314
     17.2.4. Пределы физико-механических состояний грунта..........316
  17.3. Математический аппарат модели грунта.......................317
  17.4. Метод расчета предельных физико-механических состояний грунтов........................................................322
  17.5. Метод расчета корреляции осадки от нагрузки по математической модели грунта упругопластическивязкого состояния...............336
  Выводы по главе 17...............................................341

Глава 18. Методология расчетного исследования состояний предельных равновесий грунтовытеснения оснований буровых и набивных свай....................................................342
  18.1. Теория методик расчетов несущей способности и деформирования оснований свай.................................................342
     18.1.1. Методика расчета оснований буровых свай...............342
     18.1.2. Методика расчета оснований свай во взрывофугасных скважинах.....................................................345
  18.2. Теория методик определения зон изменения состояния грунтов.350
     18.2.1. Методика расчета зон напряженно-деформированного состояния оснований буровых свай......................................350
     18.2.2. Методика расчета зон принудительного изменения состояния оснований вокруг взрывофугасно грунтовытесненных скважин.....................................................354
     18.2.3. Методика расчета зон напряженно-деформированного состояния оснований свай во взрывофугасных скважинах..................359
  Выводы по главе 18...............................................361
  Выводы по четвертому разделу.....................................362


9

РАЗДЕЛ 5. НЕЛИНЕЙНОЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИВЯЗКОЕ ДЕФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ГЕОТЕХНОЛОГИИ ДВУХ СДВИГАЕМЫХ ТРУЩИХСЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Глава 19. Физико-механическое взаимодействие в процессуальном развитии первого состояния предельного равновесия сил связности покоя и трения скольжения сдвигаемых твердых тел.....................365
  19.1. Исходные вводные положения физико-механического взаимодействия сил трения покоя и скольжения двух трущихся твердых тел.......366
  19.2. Физические факторы, механизмы, силы распора, сопротивление сил упругости и пластического материала в контактах неровностей зацепления твердых тел в состоянии связности покоя от действия постоянной сжимающей нормальной силы..........................367
  19.3. Физические факторы, механизмы, силы сопротивления упругости и пластического материала в контактах неровностей зацепления твердых тел в состоянии предельного равновесия связности покоя и фрикционности сдвига от действия постоянной нормальной силы и сдвигающей силы тяги........................................370
  Выводы по главе 19 ...........................................373

Глава 20. Физико-механическое взаимодействие в процессуальном развитии последующих состояний предельных равновесий связности покоя и фрикционности сдвига двух трущихся твердых тел........374
  20.1. Второго состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся твердых тел.....................................374
  20.2. Третьего состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся твердых тел.....................................375
  20.3. Четвертого состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся твердых тел.....................................376
  20.4. Пятого состояния предельного равновесия сил взаимодействия двух трущихся тел.............................................376
  20.5. Обощение положений о физико-механических и физико-химических взаимодействиях внутренних сил трения покоя и скольжения при достижении пяти состояний предельных равновесий
      сдвигаемых твердых тел...................................378
  Выводы по главе 20...........................................379

Глава 21. Экспериментально-теоретические исследования предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород..............380
  21.1. Экспериментальное исследование предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород.........................................380
  21.2. Теоретическое исследование предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород.........................................381


10

  21.3. Активное и пассивное давление и предельные внутренние углы пластического состояния материалов в контактах взаимодействия сдвигаемых твердых тел........................................385
  21.4. Физико-механическая и физико-химическая сущность трения.386
  21.5. Расчетное исследование предельных состояний сдвигаемых скальных горных пород..................................................387
     21.5.1. Мрамор.............................................388
     21.5.2. Талькохлорит.......................................389
  Выводы по главе 21............................................390
  Выводы по пятому разделу......................................390

РАЗДЕЛ 6. НЕЛИНЕЙНАЯ МЕХАНИКА ГРУНТОВ В ГЕОТЕХНОЛОГИИ ВЫТЕСНЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ И ОДИНОЧНЫХ СВАЙ

Глава 22. Основные положения нелинейной механики грунтовытеснения дисперсных оснований фундаментов..........................392
  22.1. Общая задача нелинейной механики, модель механического поведения и метод механики дисперсных грунтов...........................392
  22.2. Углы внутренней связности покоя и трения скольжения при сдвиге дисперсных грунтов............................................393
  22.3. Основные положения модели теории нелинейного деформационного вытеснения предельно напряженного дисперсного грунта..........394
  22.4. Определение отличительных особенностей дискретной среды в роли модели механического поведения дисперсных грунтов под нагрузкой.................................................396
  Выводы по главе 22............................................398

Глава 23. Нелинейная механика вытеснения дисперсных грунтов в основаниях фундаментов мелкого заложения......................399
  23.1. Эмпирический и теоретический дифференцирующий анализ деформации экспериментально исследованного в полевых условиях основания штампа..............................................399
  23.2. Вывод краевых и промежуточных уравнений состояний предельных равновесий дисперсных грунтов под нагрузкой...................402
  23.3. Экспериментально-теоретическое исследование механики силового вдавливающего формирования уплотненного ядра грунта...........405
     23.3.1. Краткий обзор результатов исследования формирования упругого ядра с помощью штампов............................406
     23.3.2. Расчетное построение формы уплотненного ядра грунта в пределах зон напряженно-деформированного состояния основания..................................................410


11

     23.3.3. Развитие модели расчета формирования упругого ядра грунта в основаниях под плоскими техническими средствами силового вдавливающего вытеснения грунтов............................412
     23.3.4. Методология расчета зон уплотнения грунта основания штампа......................................................417
  23.4. Геометрические параметры и их соотношения для выбора физических уравнений состояния.............................................421
  23.5. Модель теории определения поступенчатых модулей нелинейной деформации грунтов..............................................424
  23.6. Модель теории расчета по двум принципам предельных состояний . ... 425
  23.7. Методология расчетного исследования и построения эпюры
     реактивного контактного давления грунта на плоскую подошву жесткого фундамента......................426
  Выводы по главе 23.............................................432

Глава 24. Методология расчетного исследования предельной несущей способности и нелинейной деформации основания фундаментов мелкого заложения................................................433
  24.1. Применение метода нелинейной механики вытеснения дисперсных грунтов к примеру конкретного расчетного исследования напряженных состояний предельных равновесий................................433
  24.2. Определение нелинейных общих, нелинейных упругих, пластических объемных и пластических сдвиговых деформаций дисперсных грунтов под нагрузкой..................................................439
     24.2.1. Предельная краевая нелинейная общая, упругая, объемная и сдвиговая осадка на девятой последней ступени нагрузки....440
     24.2.2. Предельная промежуточная нелинейная общая, упругая, объемная и сдвиговая осадка на восьмой промежуточной ступени нагрузки............................................442
  24.3. Влияние полного водонасыщения дисперсных грунтов оснований фундаментов мелкого заложения на формирование их напряженно-деформированных состояний......................................446
  Выводы по главе 24.............................................447

Глава 25. Нелинейная механика вытеснения дисперсных грунтов в основаниях одиночных свай..............................448
  25.1. Краткие сведения об известных экспериментальных исследованиях
      форм уширений, зон деформации и уплотнения грунтов в основаниях свай..........................................448
  25.2. Экспериментально-теоретические исследования давления грунтов
     на боковые поверхности стволов буровых и набивных взрывофугасных свай.........................................451
     25.2.1. Давление грунта на боковую поверхность буровой сваи.453


12

  25.4. Методологии выбора уравнений состояний предельных равновесий по боковым поверхностям стволов свай с постоянными и переменными размерами поперечных сечений и их нижних концов.................469
     25.4.1. Выбор уравнений состояний предельных равновесий грунтов по боковым поверхностям цилиндрического ствола и камуфлетного уширения набивной взрывофугасной сваи.........469
     25.4.2. Выбор уравнений состояний предельных равновесий грунтов по боковым поверхностям цилиндрического ствола буронабивной сваи с уширением ствола и плоской подошвой нижнего конца...............................................473
     25.4.3. Выбор уравнений состояния предельных равновесий грунтов по боковой поверхности цилиндрического ствола сваи в пробитой скважине с полусферической формой нижнего конца...............................................484
     25.4.4. Выбор уравнений состояний предельных равновесий грунтов по боковой поверхности цилиндрического ствола буронабивной сваи с плоской формой нижнего конца.............488
     25.4.5. Выбор уравнений предельных равновесий буронабивной сваи с камуфлетным уширением ствола.........................495
     25.4.6. Выбор уравнений состояний предельного равновесия грунтов набивной конической сваи в пробитой штампом скважине.........498
     25.4.7. Анализ уравнений состояния предельных равновесий грунтов по боковым поверхностям различных видов свай..................................................501
  Выводы по главе 25.............................................505

Глава 26. Методология расчетного исследования экономической эффективности набивных взрывофугасных свай................506
  26.1. Оптимизация рабочего хода скважинообразователей по экономическим показателям....................................506
  26.2. Расчет экономической эффективности от применения взрывофугасной грунтовытесняющей установки......................510
     26.2.1. Определение годового объема работ одной установки ..510
     26.2.2. Расчет капитальных затрат...........................511
     26.2.3. Расчет текущих затрат...............................512
     26.2.4. Оценка экономической эффективности..................514


         РАЗДЕЛ 7. НЕЛИНЕЙНАЯ МЕХАНИКА ГРУНТОВ
В ГЕОТЕХНОЛОГИИ ГРУНТОУСТОЙЧИВОСТИ
ПРЕДЕЛЬНО-РАВНОВЕСНЫХ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ И СКЛОНОВ ЕСТЕСТВЕННЫХ ГОРНЫХ
МАССИВОВ

Глава 27. Геотехнология грунтоустойчивости предельно-равновесных откосов и склонов.......................................515


13

27.1. Практическая необходимость мониторинга устойчивости откосов и склонов....................................................515
27.2. Разработка методологии прогноза грунтоустойчивости откосов и склонов....................................................517
27.3. Теория методики прогноза грунтоустойчивости откосов и склонов....................................................520
Выводы по седьмому разделу...................................523

Заключение...................................................524

Терминологический словарь....................................528

Литература...................................................550

Приложения...................................................564


14

                                     Посвящается светлой памяти моего Наставника - к .т. н., доцента С. И. Ореш-никова, и моего мудрого Учителя - д. т. н., профессора Ю. А. Сболевского, возглавлявших руководство разработкой настоящего научно-технического направления


    ПРЕДИСЛОВИЕ

     В авторской книге представлены результаты разработки совокупности средств геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости, созданной для осуществления процессов проектирования, строительного производства и эксплуатации фундаментов из различных видов набивных свай, в том числе взрывофугасных и взрывофугасно-камуфлетных, а также фундаментов мелкого заложения; обеспечения грунтоустойчивости их оснований под нагрузкой; прогнозирования грунтоустойчивости предельно-равновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов.
     К средствам геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости относятся: механика взрывофугасного технологического оборудования и технологии устройства опытных взрывофугасных и взрывофугасно-камуфлетных набивных свай в натурных полевых условиях; геотехнологий вытеснения оснований взрывофугасных набивных свай и фундаментов мелкого заложения, взаимодействия скальных грунтов при сдвиге, грунтоустойчивости предельноравновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов. Комплексные исследования базируются на положениях впервые предложенной аналитической нелинейной механики грунтов, основанной на новой единой теории нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно-напряженных грунтов. Теория и методы познания геотехники основаны на результатах экспериментальных исследований и феноменологически. Разработаны методологии расчетных исследований и инженерных методов расчета несущей способности оснований набивных свай и фундаментов мелкого заложения. Предложены приемы и подходы проектирования надежных оснований и фундаментов рациональных конструкций. Приведены данные исследований в области грунтоустойчивости оснований фундаментов, предельноравновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов.
     Автор выражает глубокую признательность: Наставнику - к.т.н., доценту С. И. Орешникову и Учителю - лауреату премий Советов Министров СССР и БССР, д.т.н., профессору Ю. А. Соболевскому, усмотревшим перспективность настоящей научно-исследовательской работы и оказавшим всяческую поддержку в ее реализации.
     Занимаясь с 1961 года проектированием оснований и фундаментов новых и реконструируемых объектов транспортного, промышленного, гражданского и жилищного строительства в Российской Федерации, Молдавии, на Украине,

15

автор в 1977 году пришел к убеждению, что наиболее перспективными с точки зрения технологичности, эффективности и повышенной удельной несущей способностью на один кубометр бетона конструкции являются одиночные набивные сваи в полностью грунтовытесненных скважинах и уширениях их стволов. Однако, широкому распространению таких свай в массовом строительства препятствовало отсутствие геотехнологий и технических средств для преодоления огромных по величине сопротивлений дисперсных грунтов, их вытеснению в глубину, в стороны и вверх грунтового массива из объема скважин, требуемых проектных геометрических размеров под значительные нагрузки. Опираясь на опыт применения энергии взрывчатых веществ в проектах строительства оснований и фундаментов для объектов, будучи главным специалистом архитектурно-строительного отдела в составе проектного института «Куйбы-шевгражданпроект», автор пришел к выводу о целесообразности и возможности использования управляемого действия энергии взрыва для грунтовытеснения скважин и камуфлетных уширений требуемых проектных размеров. Идеей заинтересовался и поддержал ее заведующий кафедрой «Строительные конструкции и архитектура» Тольяттинского политехнического института (ТПИ) к.т.н., доцент С. И. Орешников, предложивший автору работу на кафедре в должности старшего инженера научно-исследовательского сектора.
      С начала научной деятельности, в октябре 1977 года были разработаны на уровне изобретений способ проходки скважин с использованием управляемого действия энергии взрыва и скважинообразователель для его осуществления, изготовлена макетная установка и проведены ее испытания в июле 1978 года. В результате, впервые были получены взрывофугасная скважина с полным вытеснением грунта из ее объема строго цилиндрической формы диаметром 200 мм и осесимметричное сердцевидной формы камуфлетное уширение нижнего конца ствола скважины диаметром 300 мм.
      Для углубления знаний использования управляемого действия энергии продуктов взрыва на дискретную среду, автор с октября 1978 года по март 1979 года в НИИ «Порошковой металлургии» Белорусского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института (БПИ) прошел инженерную переподготовку по методам создания композиционных материалов и изделий, а в сентябре 1979 года поступил в заочную аспирантуру БПИ на кафедре «Основания, фундаменты и инженерная геология», под научным руководством заведующего кафедрой, д.т.н., профессора Ю. А. Соболевского, высоко оценившим научную и практическую значимость данного направления исследований.
      Дальнейшая разработка проблем, связанных с новой взрывофугасной геотехнологией устройства набивных свай, камуфлетных уширений и устойчивости грунтов, проводилась в ПМК-154 треста «Саратовспецстрой» Главпри-волжскстроя Минстроя СССР в течение с 1982 года по 1986 год, чему активно содействовал главный инженер ПМК-154 Г. К. Григорюк для ускорения внедрения взрывофугасной технологии в строительное производство. Результаты разработки завершились проведением предварительных испытаний установки взрывной проходческой УВП-220/750, где 220 мм диаметр рабочего органа
16

фугасника, 750 мм - рабочий ход фугасника за один взрыв заряда взрывчатого вещества, в городе Саратове в декабре 1983 года в присутствии комиссии в составе представителей Минстроя СССР, Госгортехнадзора СССР по программе, согласованной с ВНИПИвзрывгеофизика. Комиссия рекомендовала продолжить разработку опытно-промышленного образца установки. Тема была включена в Координационный план научно-исследовательских работ Минстроя СССР.
     Продолжение усовершенствования разработки на уровне изобретений завершилось изготовлением макетной установки УВП 216/840, с помощью которой в декабре 1984 года были изготовлены опытные набивные взрывофугасные сваи как без уширений, так и с камуфлетными уширениями. Сваи исследовались и показали увеличение несущей способности грунтовытесненных оснований, примерно, в два раза по сравнению с буровыми.
     Попытка применить известные методологии существующей механики грунтов к расчету несущей способности свай показала их некоторую некорректность. После чего, автором была начата работа над новой теорией нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно-напряженных грунтов и на ее основе развитие направления аналитической нелинейной механики грунтов. Дальнейшая работа продолжалась в Специальном конструкторском бюро (СКБ) «Строймеханизация» Минсевзапстроя СССР в городе Владимире с сентября 1986 года под руководством автора, назначенного на должность главного конструктора проектов. С 1986 года по 1991 год в СКБ «Строймеханизация» была разработоана и изготовлена макетная взрывофугасная стационарная установка УВП-410/3000, проведены ее предварительные испытания, которые показали ее работоспособность и выявили необходимость доработки.
     В связи с ликвидацией Минсевзапстроя СССР дальнейшие разработки были прекращены в виду отсутствия заказчика и финансирования темы исследования.
     Важная роль в исследованиях и разработках автора принадлежит плодотворному сотрудничеству и личному общению с выдающимися учеными НИИОСП им. Н. М. Герсеванова (Б. В. Бахолдин, П. А. Коновалов, Е. В. Све-тинский и др.), И. И. Даниленко (г. Киев), Ф. К. Лапшан (г. Саратов), а также целому ряду других видных специалистов Главного Технического Управления, Главприволжскстроя и Главвладимирстроя Минстроя СССР, затем Минсевзапстроя СССР; трестов «Саратовспецстрой» и «Оргтехстрой»; ПМК-154 треста «Саратовспецстрой»; Волжского спецуправления «Гидроспецстрой» МЭиЭ СССР, г.Тольятти; Госгортехнадзора СССР; треста «ПриволжТИСИЗ» Госстроя РСФСР, г.Саратов; СКБ «Гидроимпульской техники» СО АН СССР, г.Новосибирск; ВНИПИвзрывогеофизики, г. Раменское; кафедр «Строительные конструкции и архитектура» ТПИ, г. Тольятти; «Основания, фундаменты и инжинерная геология» БПИ, г. Минск; «Строительные конструкции и основания сооружений» СПИ, г. Саратов; «Строительные конструкции и механика твердого тела» Тольяттинского военного технического института (ТВТИ)

17

МО РФ, а также со взрывниками Участка взрывных работ Жигулевского комбината строительных материалов; Саратовского участка Волжского спецуправ-ления Треста «Союзвзрывпром», г. Волгоград; Ивановского спецуправления треста «Союзвзрывпром» и др.
     Тематика научных исследований рассмартивалась Научно-техническими советами Минстроя СССР, Минсевзапстроя СССР, НИИОСП им. Н. М. Герсва-нова, Главприволжскстроя, Главвладимирстроя, СКБ «Строймеханизация», кафедр высших учебных заведений. По материалам исследований автором в 1994 году была защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в совете Пермского государственного университета, возглавляемого доктором технических наук, профессором А. А. Бартоломеем.
     Продолжение исследований по теории нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно-напряженных грунтов и положений аналитической нелинейной механики грунтов осуществлялось на кафедре «Строительные конструкции и механика твердого тела» Тольяттинского военного технического института МО РФ до 2010 года. С этого периода времени и до сих пор разработка проводится на кафедре «Промышленное и гражданское строительство» Архитектурно-строительного института Тольяттинского государственного университета.
     Результаты научных исследований и разработок публиковались в статьях и докладывались на Международных, Всесоюзных и Всероссийских геотехнических конференциях.
     Автор весьма благодарен инженеру-подполковнику ТВТИ В. К. Лунгу и инженеру ТГУ Е. А. Ушаковой за существенную помощь в компьютерной верстке издания, а также Рецензентам за поддержку и положительную оценку выполненной опытно-конструкторской и научно-технической работы.

18

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


    1. Механика грунтов
    1.1. Физико-механические характеристики грунта

у - удельный вес грунта;
у d — удельный вес скелета грунта;
у s - удельный вес твердых частиц грунта;
уw - удельный вес воды;
р - плотность грунта;
р d - плотность скелета грунта;
р ₛ - плотность твердых частиц грунта;
w - весовая влажность грунта;
IL - показатель консистенции (индекс текучести);
Ip - показатель пластичности (индекс пластичности);
WL - влажность на границе текучести;
Wp - влажность на границе пластичности (раскрытывания);
Iw - индекс влажности;
Id - коэффициент относительной плотности (показатель плотности);
Sᵣ - коэффициент водонасыщения (степень влажности);
kf - коэффициент фильтрации (водопроницаемости);
cᵥ - коэффициент консолидации;
U - степень консолидации;
С - коэффициент неоднородности (степень неоднородности);
е - коэффициент пористости грунта;
п - пористость.

    1.2. Прочностные характеристики грунтов

Ф - угол внутреннего трения грунтов;
с - удельное сцепление;
в - угол внутренней связности и трения грунтов.

    1.3. Деформационные характеристики грунтов

Е - модуль упругости;
Е₀ - модуль общей деформации;
m ₀ - сжимаемость грунта;
mᵥ - коэффициент относительной сжимаемости;
v, р - коэффициент бокового расширения (Пуассона).

    1.4. Напряжения и давления

о - нормальное напряжение;
о d - эффективное напряжение (напряжение в скелете грунта);
о₁, о₃ - главные напряжения;
о g, - природное напряжение;
оₛₜᵣ - структурная прочность;

19

о cᵣₜ — критическое давление;
оᵤ - предельное давление;
т - касательное напряжение;
тᵤ - предельное сопротивление грунта сдвигу;
pw, оᵤ - нейтральное (поровое) давление;
R - расчетное сопротивление грунта основания;
Rc - прочность на сжатие скального грунта;
Еа - активное давление грунта;
Ер - пассивное давление грунта (пассивный отпор);
£ - коэффициент бокового давления.

    1.5. Деформации

5 - осадка сооружения;
sᵤ - осадка предельно допустимая;
sₜ - осадка во времени;
As - неравномерные осадки;
Sₑ - упругая осадка;
Sₚ - пластическая осадка;
Sc - сдвиговая осадка;
На, Нс - мощность активной зоны.



    2. Фундаменты и основания


d - глубина заложения фундамента;
df - глубина сезонного промерзания; kₛₜ - коэффициент запаса устойчивости; Fᵤ - несущая способность основания; Fd - несущая способность сваи.

20

    ВВЕДЕНИЕ


      Понятие «Геотехника фундаментостроения и грунтоустойчивости» подразумевает совокупность средств, созданных для осуществления процессов строительного производства и эксплуатации набивных взрывофугасных свай, камуфлетных уширений, фундаментов мелкого заложения и обеспечения грунтоустойчивости их оснований, а также грунтоустойчивости предельноравновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов. К основным средствам для осуществления процессов строительства фундаментов и обеспечения грунтоустойчивости их оснований относятся:
      -  технология взрывофугасного грунтовытеснения скважин и образования камуфлетных уширений;
      -  технологическое оборудование для осуществления технологии взрывофугасного сваестроения, реализующего управляемый процесс действием энергии продуктов взрыва одновременно в камере скважино-образователя и в грунте, при грунтовытеснении скважин или камуф-летного взрыва непосредственно в грунте;
      -  технология формирования уплотненного ядра грунта под плоской подошвой жесткого строительного конструктивного элемента под нагрузкой, рассматриваемого как осуществляющий несущую способность компонентный строительный грунтовый элемент в составе впервые рассмотренного «конструктивно-грунтового фундамента»;
      -  «Геотехнологии фундаментостроения и грунтоустойчивости», включающие теории и методы познания техники мобилизации физически максимально возможной несущей способности и грунтоустойчивости оснований в процессах строительного производства и эксплуатации фундаментов, а также грунтоустойчивости откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов; при этом в технике материализуются знания и опыт практики, совокупность навыков и приемов научного развития.
      Выявлены следующие геотехнологии:
      -  формообразования уплотненного ядра грунта под подошвами фундаментов мелкого заложения, нижних концов свай и их уширений, как несущего строительного грунтового элемента в составе комплексного конструктивно-грунтового фундамента с учетом его строительного конструктивного элемента, как технического средства формирования ядра;
      -  нелинейного деформационного взаимодействия двух сдвигаемых трущихся твердых тел на примере скальных грунтов;
      -  линейно-нелинейного деформирования и грунтоустойчивости оснований набивных взрывофугасных свай;
      -  нелинейного деформирования и грунтоустойчивости оснований фундаментов мелкого заложения;
      -  нелинейного деформирования и грунтоустойчивости оснований набивных взрывофугасных и других видов свай.

21

     Научной основой геотехнологии фундаментостроения и грунтоустойчивости является впервые созданная «Аналитическая нелинейная механика грунтов», в последующем тексте именуемой также «нелинейной механикой грунтов». Нелинейная механика грунтов фундаментостроения и грунтоустойчивости включает изучение теории грунтовытеснения и грунтоустойчивости оснований фундаментов, кроме того, грунтоустойчивости предельно-напряженных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов. В нелинейной механике грунтов фундаментостроения и грунтоустойчивости рассматриваются:
     -   механика взрывофугасного грунтовытеснения скважин, образования камуфлетных уширений и формирования уплотненного ядра грунта над подошвой фундамента мелкого заложения и нижнего конца ствола сваи или ее уширения;
     -   механика грунтоустойчивости оснований набивных взрывофугасных свай, камуфлетных уширений, фундаментов мелкого заложения с уплотненным ядром грунта в процессах их нагружения;
     -   механика грунтоустойчивости предельно-равновесных откосов земляных сооружений и склонов естественных горных массивов.
     Нелинейная механика грунтов базируется на положениях впервые предложенной единой законченной «Теории нелинейного упругопластическивязкого деформирования предельно напряженных грунтов», как скальных, так и дисперсных.
     Методы познания техники фундаментостроения и грунтоустойчивости разрабатывались по результатам экспериментальных исследований и феноменологически.
     Результаты разработки приведены в семи основных разделах по существу исследований. Первый раздел посвящен краткому обзору и анализу классических научных основ физики трения твердых тел и механики грунтов: приведена характеристика состава, строения и свойств грунтов в грунтоведении, моделей расчета и предельных физико-механических состояний грунтов, известных в их современной механике; физической сущности сдвиговых прочностных характеристик грунтов; формулированию концепции развития геотехники фундаментостроения и грунтоустойчивости. Основные результаты исследований приводятся в выводах к каждой главе и разделу.
     Во втором разделе разработана механика в технологии взрывофугасного грунтовытеснения скважин набивных свай и их камуфлетных уширений: проведен сравнительный обзор результатов вытеснения грунтов воздействием свай и действием энергии взрыва скважин и камуфлетных уширений; разработан способ взрывофугасного грунтовытеснения; предложено конструктивнотехнологическое решение установки взрывофугасного и камуфлетного грунтовытеснения скважин и их уширений; дано физико-математическое развитие модели расчета давления продуктов взрыва и прочности стальных камер взрывания цилиндрической формы; показано механическое взаимодействие системы машины и грунта в процессе взрывофугасного грунтовытеснения скважин и камуфлетных уширений.

22