Устройство грунтоцементных колонн методом глубинного перемешивания грунтов DSM



Колонны глубокого перемешивания — это технология стабилизации, в которой цемент и известь используются в качестве стабилизирующих агентов для повышения конечной несущей способности грунтов. Этот метод имеет множество применений, таких как проектирование фундамента, создание несущей стены для земляных работ, смягчение последствий разжижения, гидравлическая перегородка и восстановление окружающей среды. В данной статье представлена краткая история и обзор этого многообещающего метода с целью улучшения грунта. Кроме того, рассматриваются несколько предыдущих работ, связанных с предельной несущей способностью грунта.

Ключевые слова: колонны глубокого перемешивания, стабилизация грунта, максимальная несущая способность.

Введение

Для повышения несущей способности мягкого грунта применялись различные методы стабилизации грунта, такие как гранулированные и сборные вертикальные дренажи, вакуумное уплотнение, усиление гранулированных колонн (сваи для уплотнения песка, колонны из вибрирующего камня) и методы стабилизации (глубокое перемешивание, предварительное перемешивание и легкая обработка грунта) (Kirsch & Bell, 2012; Сабих, Шафик и Хуссейн, 2011). Из методов стабилизации грунта колонны глубокого перемешивания хорошо зарекомендовали себя в большем числе стран, поскольку это экономически эффективный подход с многочисленными техническими и экологическими преимуществами, включая быстрое внедрение, отказ от утилизации за пределами площадки, высокую прочность грунта и предотвращение биоразложения (Fang, Chung, Ю и Чен, 2001; Сайто, Судзуки и Ширай, 1985).

В широком смысле, глубокая стабилизация грунтов — это метод модификации грунта на месте с использованием стабилизирующего агента не только для улучшения несущей способности, но и для уменьшения осадки, предотвращения сдвиговой деформации грунтов и обработки загрязненных почв (Porbaha, 1998; Topolnicki, 2004). Согласно литературе, этот метод имеет несколько преимуществ (Kitazume, 2002; Kitazume & Terashi, 2013): (1) скорость изготовления, (2) калибровка прочности, (3) надежность, (4) разнообразие применений и (5) эффективное использование ресурсов.

Этот метод имеет множество применений, таких как проектирование фундамента, создание несущей стены для земляных работ, смягчение последствий разжижения, гидравлическая стена отсечения и восстановление окружающей среды (Хашизуме, Окочи, Донг, Хории, Тоесава и Тамате, 1998; Окумура, 1996; Тераси, 2005).

Например, этот метод был успешно использован для разработки участков с мягким грунтом, таких как проект двойного трекинга железной дороги Раванг-Ипох в Малайзии (Raju, Abdullah, & Arulrajah, 2003) и автодороги Трасса Зелена в Польше (Topolnicki, 2004). Несколько проектов по стабилизации автомобильных и железнодорожных насыпей были завершены в Китае, Франции, США и Италии с использованием этого метода (Massarsch & Topolnicki, 2005; Liu, Yi, & Zhu, 2008). Кроме того, этот метод широко использовался в США для обработки загрязненной почвы и инкапсуляции загрязненных почв, включая отсечные стенки и реактивные барьеры (Al Tabbaa & Evans, 2003). Кроме того, Япония широко использует этот многообещающий метод для различных применений, одним из которых было строительство автострады через Токийский залив протяженностью около 15 км, в результате чего мягкий глинистый грунт основания был улучшен с использованием цементной смеси для защиты туннеля (Kitazume, 2002). В другом месте этот метод использовался для стабилизации разрушенных дамб и затопляемых стен вдоль канала Орлеан-авеню в Новом Орлеане, США (McGuire, Templeton, & Filz, 2012).

В колоннах глубокого перемешивания химические агенты, которые представляют собой либо суспензию (мокрое смешивание), либо порошок (сухое смешивание), смешиваются с мягким грунтом для образования столбиков почвенных вяжущих. Для этого на глубину обработки просверливается вращающийся смесительный шнек. Затем направление вращения сверла меняется на противоположное и извлекается, в то время как связующие вещества прокачиваются через буровое долото шнека и грунт, и связующие вещества перемешиваются (Bruce, 2001).

Благодаря своей прочности, легкости применения и экономической ценности цемент и известь используются в качестве стабилизирующих агентов в колоннах глубокого перемещивания для получения более прочного грунта, а именно грунтоцементно–известковых колонн (Kawasaki, Suzuki, & Suzuki, 1981; Prusinski & Bhattacharja, 1999; Saitoh, 1988). Хотя эти традиционные цементирующие вяжущие могут улучшить многие технические свойства грунтов, у них есть ряд недостатков, особенно если рассматривать их с экологической точки зрения.

В данной статье представлена краткая история и обзор этого многообещающего метода с целью улучшения грунта. Кроме того, рассматриваются несколько предыдущих работ, связанных с несущей способностью грунта.

Схема установки для глубокого перемешивания

Специально разработанные машины используются для возведения на месте колонн грунто-вяжущего различных конструкций.

В полевых условиях было применено несколько конфигураций этого метода, в том числе: группа, сетка, стена и блок (Kitazume, 2002; Kitazume & Terashi, 2013).

При групповом улучшении типа колонн обработанные грунтовые колонны или элементы устанавливаются рядами с прямоугольным или треугольным расположением в грунте. Для выполнения требуется относительно короткий период отверждения, а объем улучшений довольно невелик (рис. 1(а)). Тип групповой колонны был сконструирован для поддержки небольших сооружений, особенно на суше (Kitazume & Terashi, 2013).

При усовершенствовании типа стен, как показано на (рис. 1(б)), длинные стены из обработанного грунта с короткими стенками или без них, ориентированными перпендикулярно осевой линии пролетных строений, создаются путем перекрытия соседних колонн (Kitazume & Terashi, 2013). Ожидаемая функция длинной стены состоит в том, чтобы выдерживать вес надстройки и другие внешние нагрузки и переносить их на более глубокий жесткий слой.

Улучшение типа сетки является промежуточным типом между улучшением типа блока и улучшением типа стены. Колонны стабилизированных грунтов устанавливаются внахлест, так что в грунте образуются улучшенные массы в форме сетки (рис. 1(в)). Этот шаблон очень стабилен рядом с улучшением типа блока, и его стоимость варьируется между улучшением типа блока и улучшением типа стены (Bruce, 2001; Kitazume & Terashi, 2013).

При улучшении блочного типа на поле образуется огромная улучшенная масса почвы путем перекрытия всех столбиков стабилизированного грунта (рис. 1(d)). Этот тип улучшения обычно применяется к тяжелым и постоянным сооружениям, таким как волнорез и морская облицовка в порту, а также портовые сооружения (Kitazume & Terashi, 2013).

Рис. 1. В полевых условиях было применено несколько конфигураций глубокого перемешивания, включая (а) Улучшение типа групповой колонны, (б) Улучшение типа стенки, (в) Улучшение типа решетки и (г) Улучшение типа блока

С точки зрения экономики и конструкции, предпочтителен тип групповых колонн из-за небольшой площади улучшения и простоты монтажа, поскольку обработанные колонны построены без какого-либо перекрытия (Kitazume & Terashi, 2013; Terashi, 1981).

Технология колонн глубокого перемешивания имеет некоторые общие черты с другими методами улучшения грунта, такими как технология каменных колонн. Оба метода используются для повышения несущей способности и контроля осадки в условиях мягкого грунта (Терахир, 2005). Кроме того, конструкция, используемая в обоих случаях, зависит от соотношения площади замещения. Однако важные различия заключаются в используемом материале и технике монтажа. Для каменных колонн требуется наличие гранулированного материала подходящей сортировки, а вибрации, возникающие при монтаже, могут вызвать проблемы.

Конструкция глубокого перемешивания

Колонны глубокого перемешивания разработаны таким образом, чтобы точно соответствовать потребностям любой конкретной ситуации, регулируя одну или комбинацию следующих переменных: диаметр колонн, соотношение площади, параметры смешивания, количество связующего и тип связующего (Porbaha, Shibuya, & Kishida, 2000).

В колоннах глубокого перемешивания диаметр колонн колеблется от 0,5 до 1,75 м, расстояние между ними обычно составляет от 1,0 до 1,5 м от центра к центру, а длина обычно варьируется от 10 до 30 м в обычной практике для наземных применений.

В некоторых случаях, особенно для портовых сооружений, использовались цементные колонны длиной 60 м (Bruce, 2001).

Коэффициент площади замещения, α, представляет собой отношение общей площади сечения колонн к площади земли, занимаемой колоннами. Согласно Брюсу (2001), при обычных методах улучшения, применяемых в Скандинавии и Соединенных Штатах, α колеблется от 10 до 30 %. В некоторых ситуациях для предотвращения разрушения при скольжении и боковой деформации из-за сейсмических условий применялось значение α от 30 до 50 % (Bergado, Anderson, Miura, & Balasubramaniam, 1996). Эти авторы предположили, что общая ширина улучшенного грунта должна составлять более половины толщины мягкого грунта, если используется низкое значение α.

В колоннах глубокого перемешивания стабилизирующий агент впрыскивается под давлением до 280 бар в скважину с помощью насосной системы и сопла для смешивания грунта со стабилизирующими агентами либо в виде суспензии (влажной), либо в виде порошка (сухой) (Druss, 2002; Porbaha, 1998). После процесса смешивания происходит химическая реакция между стабилизирующим агентом и почвой, в результате которой образуется композитный материал.

Этот композитный материал часто уплотняют до относительно высокой плотности, так что его свойства становятся похожими на мягкую породу. Прочность на сдвиг и модуль упругости этого материала обычно могут составлять от 10 до 20 % от обычного бетона (Jo, Hafez, & Norbaya, 2011), и, следовательно, их можно рассматривать как спроектированные бетонные колонны низкой прочности. В таких условиях достигается существенное улучшение несущей способности грунта, что, в свою очередь, снижает общую стоимость фундамента, позволяя возводить сооружения на неглубоком основании, а не на свайном фундаменте. Документально подтверждено, что степень этого существенного улучшения несущей способности почвы может быть связана с количеством вяжущего, типом вяжущего и временем отверждения (Chew, Kamruzzaman, & Lee, 2004; Kawasaki et al., 1981; Kitazume & Terashi, 2013; Terashi, 1981).

В ряде исследований был изучен максимально эффективный процент вяжущих веществ, которые следует смешивать с определенными типами грунтов, чтобы получить значительное увеличение прочности при сжатии и достичь желаемого коэффициента улучшения (Kitazume & Terashi, 2013). Анберг, Юнгкранц и Холмквист (1995) сообщили, что для стабилизации столбиков грунта обычно требуется от 5 до 40 % содержания связующего по отношению к сухому весу. Между тем, в Японии обычно используется от 20 до 30 % связующего (Okumura, 1996; Yoshizawa, Tanaka, & Shekdar, 2004) и от 10 до 50 % содержания связующего используется в Соединенных Штатах (Bruce, 2001; Porbaha et al., 2000). Из литературы следует, что разница в количестве связующего обусловлена типом связующего и различными путями реакции для достижения структурной целостности (Kawasaki et al., 1981).

Выводы

Из обзора литературы, доступной на сегодняшний день, видно, что Колонны глубокого перемешивания обеспечивают альтернативу более традиционным методам стабилизации почвы. В полевых условиях было применено несколько конфигураций этого метода, в том числе: группа, сетка, стена и блок. С точки зрения экономики и конструкции, предпочтителен тип групповых колонн из-за небольшого объема улучшаемой площади и простоты монтажа, поскольку обработанные колонны изготавливаются без какого-либо перекрытия.

Большинство существующих аналитических методов определения предельной несущей способности колонн глубокого перемешивания в основном зависели от прочностных характеристик колонн. В этом отношении конечное значение несущей способности модельного грунта было определено в нескольких лабораторных и натурных экспериментах на основе двух анализов, включая методы Брома и взвешивания.

Согласно лабораторным результатам, режим разрушения зависит от прочности колонны (из-за присутствия цемента и других вяжущих веществ) и вертикальной составляющей нагрузки. Более того, согласно полномасштабным испытаниям, прочность колонны в полевых условиях была ниже, чем прочность, полученная из лабораторной пробной смеси.

Литература:

1. Ahnberg, H., Ljungkrantz, C., & Holmqvist, L. (1995). Deep stabilization of different types of soft soils. Paper presented at the Proceedings of 11th Conference on Deep Mixing Method, Copenhagen.
2. Akpokodje, E. (1985). The stabilization of some arid zone soils with cement and lime. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 18(2), 173–180.
3. Al Tabbaa, A., & Evans, C. (2003). Deep soil mixing in the UK: geoenvironmental research and recent applications. Land Contamination and Reclamation, 11, 1–14.
4. Basha, E., Hashim, R., Mahmud, H., & Muntohar, A. (2005). Stabilization of residual soil with rice husk ash and cement. Construction and Building Materials, 19(6), 448–453.
5. Bell, F. (1996). Lime stabilization of clay minerals and soils. Engineering Geology, 42(4), 223–237.
6. Bergado, D., Anderson, L., Miura, N., & Balasubramaniam, A. (1996). Lime/cement deep mixing method. Paper presented at the Proceeding of Soft Ground Improvement in Lowland and Environments, Rotterdam.
7. Bergado, D., Ruenkrairergsa, T., Taesiri, Y., & Balasubramaniam, A. (1999). Deep soil mixing used to reduce embankment settlement. Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Ground Improvement, 3(4), 145–162.
8. Bouassida, M., Jellali, B., & Porbaha, A. (2009). Limit analysis of rigid foundations on floating columns. International Journal of Geomechanics, 9(3), 89–101.
9. Bouassida, M., & Porbaha, A. (2004). Ultimate bearing capacity of soft clays reinforced by a group of columns-application to a deep mixing technique. Soils and Foundations, 44(3), 91–101.
10. Broms, B. (2000). Lime and lime/columns, summary and visions. Paper presented at the Proceedings of the 4th International Conference on Ground Improvement Geosystems, Helsinki.
11. Broms, B. (2003). Deep soil stabilization: design and construction of lime and lime/cement columns.
12. Stockholm: Royal Institute of Technology.
13. Bruce, D. A. (2001). Practitioner's guide to the deep mixing method. Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Ground Improvement, 5(3), 95–100.

14. Chai, J., Liu, S., & Du, Y. (2002). Field properties and settlement calculation of soil-cement column improved soft subsoil-a case study. Lowland Technology International, 4(2), 51–58.

15. Chen, L., & Lin, D. F. (2009). Stabilization treatment of soft subgrade soil by sewage sludge ash and cement. Journal of Hazardous Materials, 162(1), 321–327.
16. Chew, S., Kamruzzaman, A., & Lee, F. (2004). Physicochemical and engineering behavior of cement treated clays. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 130(7), 696–706.
17. Cong, M., Longzhu, C., & Bing, C. (2014). Analysis of strength development in soft clay stabilized with cement-based stabilizer. Construction and Building Materials, 71(3), 354–362.
18. Correia, A. A., Oliveira, P. J. V., & Custódio, D. G. (2015). Effect of polypropylene fibres on the compressive and tensile strength of a soft soil, artificially stabilised with binders. Geotextiles and Geomembranes, 43(2), 97–106.
19. Dermatas, D., & Meng, X. (2003). Utilization of fly ash for stabilization/solidification of heavy metal contaminated soils. Engineering Geology, 70(3), 377–394.
20. Druss, D. L. (2002). Guidelines for Design and Installation of Soil-Cement Stabilization. Geotechnical Special Publication, 1(3), 527–539.
21. Dwivedi, A., & Jain, M. K. (2014). Fly ash–waste management and overview: A Review. Recent Research in Science and Technology, 6(1), 11–27.
22. Fang, Y., Chung, Y., Yu, F., & Chen, T. (2001). Properties of soil-cement stabilised with deep mixing method. Ground Improvement, 5(2), 69–74.
23. Gartner, E. (2004). Industrially interesting approaches to “low-CO2” cements. Cement and Concrete research, 34(9), 1489–1498.
24. Hashizume, H., Okochi, Y., Dong, J., Horii, N., Toyosawa, Y., & Tamate, S. (1998). Study on the behavior of soft ground improved using deep mixing method. Paper presented at the Proceedings of the International Conference on Geotechnical Centrifuge Modelling, Tokyo.
25. Hendriks, C. A., Worrell, E., De Jager, D., Blok, K., & Riemer, P. (1998). Emission reduction of greenhouse gases from the cement industry. Paper presented at the Proceedings of the 4th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Interlaken.
26. Janz, M., & Johansson, S. (2002). The function of different binding agents in deep stabilization (Report No. 9). Linköping: Swedish Deep Stabilization Research Centre.
27. Jo, A. N., Hafez, M., & Norbaya, S. (2011). Study of bearing capacity of lime–cement columns with pulverized fuel ash for soil stabilization using laboratory model. Electronical Journal of Geotechnical Engineering, 16, 1595–1605.
28. Kamon, M., & Nontananandh, S. (1991). Combining industrial wastes with lime for soil stabilization.
29. Journal of Geotechnical Engineering, 117(1), 1–17.
30. Kawasaki, T., Saitoh, S., Suzuki, Y., & Babasaki, R. (1984). Deep mixing method using cement slurry as hardening agent. Paper presented at the Proceeding of Seminar on Soil Improvement and Construction Techniques in Soft Ground, Singapore.