Коротка історія підсилення грунту жорсткими включеннями

   Жорсткі включення як правило представляють собою геометрично безперервні вертикальні елементи циліндричної форми. Прикметник «жорсткий» необхідний, коли матеріал включень має жорсткість значно більшу, ніж навколишній грунт. Тим не менше, ця жорсткість може сильно варіюватися залежно від типу включення, починаючи від вапняної колони і закінчуючи металевим профілем. Концепція жорсткого включення передбачає, що стійкість колони забезпечується без будь-якого бічного утримання навколишнього грунту. Окрім усіх доступних методів підсилення ґрунту, жорстке армування включеннями пропонує нову та ефективну техніку. Однак насправді цю техніку вже застосовували багато разів протягом історії для будівництва в складних умовах, таких як заболочені ділянки, без обов’язково повного розуміння ЇЇ механізму дії та поведінки. Давно помічено, що дерев’яні палі, вбиті в землю, слугували фундаментами для більш важких конструкцій протягом століть. Однак, при додаванні зверху паль піщаного шару або пучка  палиць, розміщених між цими палями, конструкція з жорсткими включеннями і оточуючим грунтом починає працювати більш ефективно. Тут заслуговує на увагу цікава публікацію Коулз (1986) щодо будівництва неолітичних доріг в Англії. Основний принцип полягає в наступному: довгі дерев’яні палі забиваються під кутом, щоб утворити ряд естакад, поверх яких розміщена смуга руху, побудована на дошках, але це конфігурація також може містити лінію вертикальних паль, не вирівняних до дощок і розміщених вздовж центральної осі, як показано праворуч на Рис.1  

Рис. 1. Фундаменти Неолітичних доріг в Англії

У випадку, описаному вище, дошки перфоровані отворами вздовж центральної осі щоб дозволити вертикальним палям вільно ковзати. Весь фундамент дороги представлений праворуч. З наведеного малюнку ми бачимо дуже цікавий приклад. Сили, що створюються на смузі руху по обидві сторони центральної осі, навантажують вертикальні палі негативним тертям після осідання ґрунту, спричиного естакадами. Ця схема роботи схожа на застосовані для деяких будівель у Мехіко, як це буде видно далі нижче. Сучасний період призвів до технічного та наукового вдосконалення конструкцій фундаментної системи. Обґрунтування було надане після дослідження щодо негативного тертя грунту Зіваертом (1957), виконане в Мексиці. З часу завоювання Іспанією з 16-го століття Мексика Сіті стикалися з гострими проблемами щодо поведінки різних споруд. Дуже товстий шар м’якої вулканічної глини (попілу), яка є і водонасиченою, і стисливою, лежить під зовнішніми навантаженнями і має осідання до декількох метрів. Ці осідання були спровоковані та активізовані станом на початок 20 століття постійним відкачуванням води до глибших шарів. Починаючи з 1960-х років, у технічній літературі наводиться багато прикладів, де обидва явища – негативне тертя та груповий ефект паль використовуються взаємовигідно, демонструючи більший вклад зовнішніх паль, ніж паль, розташованих всередині. Кілька оригінальних прикладів, які подаються далі, здобули лише незначне визнання. Більш близьким методом обгрунтування жорстких включень був би так званий метод «перекриття паль», введений в Мексиці інженером Жиро (1969); На рисунку 2 наведено відповідну схему. Будівля поставлена на палях «A», які не сягають несучого шару, а натомість зупиняються в деформованому шарі, щоб обмежити значну різницю осідань, що відбувається між будівлею і навколишнім ґрунтом, який зменшує об’єм, ущільнюючись. Короткі включення типу «B», які з цією метою називають палями, опускаються в несучий шар і дозволяють поглинати частку сил за допомогою ефекту склепіння та мобілізуючи негативне тертя уздовж стовбура паль. Таке виконання паль призводить до помітного зменшення осідань та появи значних сил у включеннях типу «В».

Рис. 2. Будинок, що підтримується палями, що «перекриваються»

В праці Коррі (1961), як описано потім Бромсом (1969) та Овінет та ін. (2006), спроектована будівля встановлена на порожнистій плиті, при цьому, конструкція спирається на стисливі ґрунти, що зазнають ущільнення. Усередині цих ґрунтів знаходились вертикальні палі, що спираються на насучий шар,  вершина паль перетинає основу порожнистої плити, яка була спроектована як коробка. Підошву плити запроектували так, щоб палі могли ковзати вільно (див. рис. 3), і діяти як тверді включення. Рівномірне навантаження передане у ґрунт плитою потім частково переноситься на включення через негативне тертя та груповий ефект. Ці включення були запроектовані з низьким коефіцієнтом запасу по грунту і могли бути зафіксовані до плити без будь-яких технічних труднощів у випадку необхідності зупинити надмірні осідання.

Рис. 3. Жорсткі включення не упираються в фундаментну плиту

Ще у 1904 році інженер запропонував підтримати палац парламенту Мексики, спираючись на металеві включення, що не прикріплені до конструкції. В даний час Мехіко є місцем багатьох будівельних проектів із кількома тисячами бетонних включень, де обґрунтування проводилось шляхом застосування розрахунку методом скінченних елементів, розробленого спецільно для таких випадків. В Японії  інженер Окабе (1977) провів повномасштабне дослідження для Японських залізниць групи паль, на які діяла сила негативного тертя. Полігон, що містив 40 м м’якої глини, демонстрував річне осідання 10 см від закачування туди води. Ізольовані металеві палі діаметром 60 см отримували до 6000 кН небажаних зусиль завдяки негативному тертю від грунту. Деякі важчі конструкції опиралися на групи паль, які самі були оточені жорсткими включеннями, незалежними від ростверку. Записані вимірювання підтвердили перенесення більшої частини паразитного негативного тертя на включення, з розвантаженням паль, прикріплених до конструкції. В європейській частині світу перші статті на тему будівель, що підтримуються жорсткими включеннями, стосуються дорожніх або залізничних насипів. У цьому відношенні Бромс (1979) у Швеції  використовував групи паль з розширеними ковпаками . У цьому ж напрямку Ратмаєр (1975) у Фінляндії створив серію подібних рекомендації із застосуванням для дорожніх насипів. Кілька насипів для під’їзні мости були побудовані в Шотландії в 1983 році на основі рекомендацій, що включали одночасне використання листів з геотекстилю над розширеними збірними ковпаками паль. Додамо будівництво залізничної колії Західної Німеччини, починаючи з 1976 року, де 7 м насип на жорстких включеннях, накритих збірними ковпаками, проект розроблений Смольчиком (1976). Всі спостереження та вимірювання, проведені під час будівництва цих різних конструкції продемонстрували ефективність армування жорсткими включеннями. У Франції перша публікація про армування жорсткими включеннями, представлена на рисунку 4, приписується Гігану (1975), який використовував цю техніку. Тим не менш, обговорення, проведені зі спеціалізованим підрядником, як розповів автор, розкрили появу нових ідей у галузі фундаментів. У досліджуваному випадку ідея була покращити характеристики колишніх насипів, суглинків та супісків шляхом влаштування паль без закріплення їх оголовків в конструкціях. Цей метод фактично призвів до суттєвого покращення характеристик ґрунтів на місці, які були готові для безпосередньої посадки фундаменту. Однак проектувальників допитували один одного над додатковою роллю, яку відіграють палі, які, незважаючи на те, що ізольовані від основні плити піщано-гравійною платформою, очевидно, виконувались як фундаменти на жорстких включення, а не як звичайні палі, як було запропоновано.

Рис. 4. Покращення характертик грунту жорсткими включеннями (Франція)

Основи, представлені на рисунку 5, були розроблені в 1982 році в Індонезії для фундаментування захисних армованих стін висотою майже 10 метрів та шириною 6,5 м для захисту резервуару рідкого газу. Ці фундаменти є більш технічно досконалими і спираються на 20-30-метровий стисливий шар глини. Стіни спираються на відкриті металеві труби 0,40 м діаметром, причому кожна покрита квадратною металевою пластиною з шириною сторони 0,50 м. Група паль засипалася гранульованою платформою товщиною 1 м, яка була горизонтально підсилена металевими стальними смугами, що покривали оголовки паль. Хоча визначення жорстких включень на той час ще не вводилося, насправді це було застосовування такої техніки, хоч вона була погано зрозуміла в ті часи. Саймон і Шлоссер (2006) представив доповідь з цієї справи на міжнародному конгресі з питань зміцнення грунту фундаментів, що відбувся в Мехіко.

Рис. 5. Фундамент на жорстких включеннях (Індонезія)

Дві послідовні публікації про аналітичне проектування груп жорстких включень Комбар’є (1988, 1990), побудовані на результатах двох дуже детальних досліджень (теоретичних, експериментальних та бібліографічних), що були присвячені негативному тертю грунту на палях. Ці роботи послужили підвищенню популярності техніки армування ґрунту за допомогою жорстких включень у Франції. Перше дослідження стосувалося будівництва насипів на ґрунтах посередньої якості; це забезпечило обгрунтовуючий підхід до структури сітки жорстких включень та підсиленої основи, на додаток до визначення  осідання стисливої товщі ґрунту. Друге дослідження стосувалося розрахунку груп включень для великих гнучких конструкцій та жорстких неглибоких фундаментів. Для цих останніх елементів – більш цілеспрямоване обґрунтування було запропоновано, присвячене як несучій здатності, так і розрахунку, з цим обгрунтування наближене до розробленого для пальових основ фундаментів. Ці методи були порівняні з кількома існуючими європейськими нормативами та експериментальними результатами насипів на м’яких ґрунтах, що підтримуються жорсткими включеннями (деякі з цих результатів уже цитувались). Для жорстких фундаментів проводилися випробування на навантаження плити на піску, зміцненому жорсткими включеннями, як це проводив Плумель (1985) для великого резервуару на випробувальному об’єкті CEBTP,  що дав результати, які досить добре відповідали прогнозам. Перехід до практики відбувся в 1989 році під час початкового проекту, названому Вузол Каррера (рис. 1.9), поблизу аеропорту Ламентен-ан-Мартінік (Комбаро, 1994). Ці роботи були, технічно кажучи, консервативними, з метою побудови насипу мосту, що складається з підсиленої грунтової основи і насипу висотою 6 – 7 м. Основи під опори були підперті палями, що перетинали як підсилену основу, так і існуючий грунт.

Рис. 6. Підсилення насипу жорсткими шарнірними включеннями (Мартінік)

Грунти основи були супісками, водонасиченими суглинками на глибину від 6 до 7 метрів. Без підсилення ці ґрунти призвели б до осідання 40 см. 124 включення були виконані на місці за допомогою стандартної металевої труби та заглушки, що втрачається. Оснащені центральним арматурним стрижнем, всі ці включення мали довжину від 8 до 9 м, діаметром 30 см і середнім кроком 2,20 м; згодом вони були накриті невеликими квадратними збірними залізобетонними плитами з розміром сторони 0,80 м. Основою насипу слугувала бетонна плита товщиною 10 см, армована металевою сіткою, яку відливали на відстані 20 см над оголовками паль. Осідання, що спостерігались наприкінці періоду робіт, дорівнювали 5 см, без подальшого збільшення. Потім послідували складніші проекти з більшою товщею дуже стисливих грунтів, які навіть містили значні шари торфу. Проблеми для вирішення ускладнювались, хоча в той же час методи розрахунку часу зазнали різних змін, деякі суттєві приклади яких буде наведено нижче. У 1990 р. Саймон і Аполіто (1991) вивчали фундаменти та насипи верхньої ділянки автостради A43, поблизу Шамбері у Франції (рис. 1.10). Ця структура мала на меті подвоїти існуючий об’єкт з фундаментом, складеним із сильно навантажених паль,  на які потрібно було попередити передачу будь-яких додаткових силових впливів. Без спеціальних додаткових заходів, 7 метрів нового насипу створили б 80 см осідання і 11-сантиметровий горизонтальний зсув масиву, складеного з 12 метрів глинистого ґрунту. Запропоноване рішення полягало в армуванні грунту фундаменту жорсткими включеннями, 37 см діаметром і довжиною 15 м, що виконуються за допомогою техніки перемішування ґрунту та підтримують обидві конструкції: насип і неглибокий фундамент нової споруди.

Рис.7. Насип і опора мосту автостради А43 в Шамбері (Франція) на жорстких включеннях

Також протягом 1990 року в Мандельє на автомагістралі A8 (Бустаманте і Гувено, 1991), щорічні деформації біля 15 см, що досягали поверхні і діяли на насип з мергелів висотою від 15 м до 30 м були зупинені за допомогою жорстких включень. Бурові жорсткі включення, що виконали під високим тиском на глибину біля 18 м доходили до нижньої частини насипу (побудованого з високоякісних матеріалів) дозволили поглинати негативне тертя  більшої частини навантаження, створеного верхньою частину насипу висотою 15 м. Всі рухи насипу були практично припинені, оскільки залишкова деформація вимірювалась лише на 3 мм в 6-місячний період. У 1999 році адміністрація порту Нант – Сен-Назер побудувала контейнерний причал на палях у Монтуарі де-Бретань на березі річки Луари (Комбаро і Фросанд, 2003). Перехід між плитою на палях і нестійким берегом річки сприйняли висячі жорсткі включення 30 метрів завдовжки (рис. 8), посажені в мули потужністю 40 м з відносно однорідними характеристиками по всій глибині. Включення з кроком 3,50 м і діаметром 54 см виготовили із застосуванням безперервного шнеку і заповнили бетоном з додаванням фібри. На їх оголовки встановили збірні плити розміром 1,40мх1,40м, які самі були покриті зварною металевою сіткою, викладеною під гранульованою платформою для розподілення навантаження. Розрахункове осідання, за відсутності будь-якого підсилення грунту, становило 1м і зменшилося по розрахунку до 20 см з жорсткими включеннями. В реальності виміряні осідання склали від 5 до 10 см.

Рис. 8. Зона переходу між портовою та береговою спорудами (Монтуар-де-Бретань, Франція)

У 2000 році було запропоновано використати закритий каркас із залізобетону плюс насип висотою 6 м на жорстких включеннях на виїзді з Франції на автостраді A15 в Руані, (Комбаро і Піолін, 2004). Результатом використання цієї техніки стала можливість успішно задовільнити вимоги запустити нову смугу руху протягом 4-місячного графіку виконання робті. Грунтова товща мала 10 м сильно стисливих шарів, включаючи торф. Були виконані жорсткі включення довжиною 15м діаметром 40см технологією СFA зі збірними плитами на оголовках, що призвело до середнього рівномірного осідання 4см, чого неможливо було досягти застосуванням чисто пальового рішення під залізобетонною конструкцією. ICEDA (французька абревіатура для установки бункера та зберігання активних відходів). Проект, виконаний у 2010 році французькою електромережею EDF на ділянці Буджі – це будівля, призначена для тимчасового зберігання відходів від демонтованих атомних електростанцій 1-го покоління та реактора Super-Phenix, плюс відходи, що утворюються з секцій реактора з водою під тиском в експлуатації. Прогнозований термін служби цієї установки становить 50 років. Його розміри порядку 120м на 60-70 м, а середні навантаження коливаються в межах 140 кПа (під простором, що використовується для зберігання вантажу з відходами) до 240 кПа (під пакувальним цехом). До цих робіт стратиграфія зони проекту ICEDA була такою: – середньо 5м піщано-гравійного намивного шару, що забезпечує високу геотехнічну якість; – 35-55м замуленої глини; – мулястий шар, розташований на глибині від 40 до 60 метрів. Осідання, оцінені на етапі попереднього проектування, складали приблизно 25 см і вважалися надмірними. Було прийнято рішення для зміцнення стисливого шару глини за допомогою жорстких включень. Це рішення включало (рис. 9): – 292 залізобетонних включень діаметром 1 метр, з оголовками 2м нижче підошви ростверку, з відстанню від 3 м до 6 м; – платформа для перенесення навантаження товщиною 2-2,75м, що складається з гомогенізованого піску, що ретельно ущільнюється. Розрахунок осідання об’єкту на армованому ґрунті привів до значень порядку 4 см.

Рис. 9. Підсилення жорсткими включеннями під обєктом ICEDA (Bugey)

Ця історична справка буде завершена антисейсмічними фундаментами, що було реалізовано на винятковій структурі мосту Ріон-Антіріон, що перетинає протоку Коринф у Греції. Ця споруда побудована на сейсмічно активному майданчику з потенційними тектонічними рухами і розміщенням важкого морського судноплавного шляху, що спирається на велику товщу ґрунтів з великою деформативністю та дуже неоднорідним складом (піски, мули, гравій, глини). Грунтова основа для трьох опор мосту була зміцнена жорсткими включеннями, що складалися з відкритих металевих труб великого діаметру (2 м), забитих на глибину від 25 до 30 м, заповнених піском. Потім виконувався гравійний насип товщиною 2,80 м, формуючи таким чином розподільчий шар. Фундамент, що складався з коробчатої балки діаметром 90 м, що був збірним та транспортувався на ділянку вплав, укладався безпосередньо на армованому ґрунті на дні моря під товщею 90м води. Ця система фундаменту, запропонована Пекером (2004), була запропонована під час проектної фази як більш технічно пристосована, ніж звичайна основа на палях, що особливо в умовах ризику землетрусу. Вставка дуже товстого розподільчого насипу фактично створила «запобіжник», здатний поглинати значну частину бічних сили, спричинених землетрусом, кесонний фундамент тоді здатний ковзати більше 1 метра на його основі, не роблячи істотного впливу на конструкцію. Рис. 10 та Рис. 11 дають розуміння цих виняткових фундаментів

Рис. 10. Міст Ріон-Антіріон – принципова схема фундаменту на включеннях (Греція)

 

Рис. 11. Міст Ріон-Антіріон – розріз по фундаменту и підсиленій основі

Ці приклади ілюструють декілька різноманітних геотехнічних задач, що вдалося вирішити з застосуванням нової техніки використання жорстких включень. До 2000 року будівництво фудаментів, що використовують цей принцип, залишалося відносно рідкісними та з тих пір кількість таких проектів значно зросла. Зараз ця концепція пропонується більшістю підрядників в Європі, що спеціалізуються на фундаментних роботах та підсиленні ґрунту, і більше того, прийнята органами будівельної інспекції та страховими компаніями за умови, що підрядники отримали відповідний набір специфікацій. Замовники проектів та архітектори в цій методиці однаково знайшли ефективну відповідь на обмеження термінів виконання проекту. Впровадження плитного фундаменту на підсиленій основі створило низку привабливих застосувань. Поряд з цими досягненнями у Франції було розроблено багато моделей обчислень чи то підрядниками чи фірмами з геотехнічного проектування, що передбачають використання аналітичних моделей, що використовують  концепцію негативного тертя або числові моделі, що включають метод скінчених елементів.