12.3.6. Фундаменты в вытрамбованных котлованах

За последнее время в неводонасыщенных грунтах, в частности в лёссах, стали устраивать фундаменты в вытрамбо­ванных котлованах. Для этого специальной трамбовкой удара­ми по одному месту вытрамбовывают полость, уплотняя грунт вокруг нее. В полость укладывают бетон с трамбованием — и фундамент после твердения бетона готов (рис. 12.9, й). Иногда в нижнюю часть полости до бетонирования в грунт втрамбовы­вают щебень, добиваясь существенного повышения несущей спо» собности таких фундаментов (рис. 12.9,6),

12.4. Закрепление грунтов

12.4.1. Общие положения

В процессе закрепления грунтов между твердыми части­цами устанавливаются прочные, обусловленные вяжущим веще­ством, связи, которые в значительной степени увеличивают проч­ность грунта и уменьшают его сжимаемость. В отдельных слу­чаях грунт превращается в полускальную породу.

Закреплению поддаются грунты, относительно хорошо филь­трующие воду или газопроницаемые, так как этот процесс свя­зан с внедрением в их поры растворов или газов. Закрепленные грунты в некоторых случаях можно рассматривать как фунда­менты, которые сделаны без отрывки котлована. Хотя такое устройство фундаментов имеет определенные преимущества, од­нако применяется оно сравнительно редко вследствие высокой стоимости закрепления грунтов. Закрепление грунтов применяют главным образом в тех случаях, когда устройство фундаментов невозможно или связано с затратами значительных средств (на­пример, при усилении основания под существующим фундамен­том), либо для уменьшения фильтрации воды около мест ее про­никания в подземные помещения,

807

12.4.2. Цементация

Цементацию (нагнетание цементационного раствора под большим давлением) производят для закрепления грунтов, об­ладающих большой водопроницаемостью (трещиноватой скаль­ной породы, гальки, гравия, гравелистого и крупного песка). За­крепление грунтов цементационным раствором в основном при­меняют для уменьшения их водопроницаемости, а в некоторых случаях — для увеличения прочности. Наиболее часто для це­ментации грунтов используют смесь цемента с водой, иногда в раствор добавляют тонкий песок. Чем мельче поры и тоньше трещины в грунте, тем более жидкий раствор применяют для его закрепления. Обычно на 1 часть цемента берут 10...50 ча> стей (по массе) воды.

Цементацию применяют также для уменьшения водопрони­цаемости и повышения прочности материала самого фундамен­та. С этой целью в бетонной или иной кладке фундамента де­лают шпуры, в которые заделывают трубки. Затем через эти трубки подают цементационный раствор под большим давле­нием. Раствор проникает в поры бетона, в связи с чем его прочность повышается, а водопроницаемость резко снижается.

12.4.3. Силикатизация

Химические растворы '(силикаты натрия)' легко прони­кают в поры песков и других грунтов, относительно хорошо фильтрующих воду. В настоящее время в строительной прак­тике применяют два метода силикатизации грунтов — двух-растворный и однорастворный.

Двухрастворный метод силикатизации используют для закрепления песков крупных и средней крупности, обла­дающих коэффициентом фильтрации от 80 до 2 м/сут. При закреплении по этому методу в грунт последовательно нагне­тают, например, растворы силиката натрия и хлористого каль­ция. В результате взаимодействия этих растворов выделяется гель кремниевой кислоты, являющийся вяжущим веществом.

При двухрастворном методе в песок забивкой или вибриро­ванием погружают инъектор (рис. 12.10), через который в грунт нагнетают раствор силиката натрия. При толщине мас­сива закрепляемого грунта более 1 м инъектор после подачи раствора в верхний слой погружают еще на 1м и вновь нагне­тают через него в грунт раствор силиката натрия. Такие опе­рации повторяют до тех пор, пока низ ииъектора не достигнет глубины, до которой необходимо закрепить грунт. Затем через этот же инъектор в грунт подают раствор хлористого кальция, поднимая инъектор по мере нагнетания раствора каждый раз на 1 м. В результате таких операций закрепляется столб грун­та радиусом 30... 100 см. Грунт в пределах необходимого объ-

308

\

Рис. 12.11. Массив грунта, за­крепленного при трех заходках инъектора

I — инъектор; 2 — массив закреп* лепного грунта

Рис. 12,10. Инъектор для за­крепления грунтов химически­ми способами

/ — заостренный паконошнк; 2 — перфорированная труба; 3 — соеди­нительная муфта; 4 — соединитель* ный тройник; 5 — оголопок

ема (рис. 12.11) закрепляют, размещая инъекторы в шахмат­ном порядке. Закрепленный грунт похож на песчаник и обла­дает кубиковой прочностью 1,5...3,5 МГЛа.

Слабо фильтрующие грунты с коэффициентом фильтрации б...0,3 м/сут (пески мелкие и пылеватые) и лёссовые грунты! закрепляют однораствориым методом силикатизации, При закреплении песков в инъектор нагнетают сложнйй рас­твор, состоящий, например, из силиката натрия и фосфорной кислоты» Эти вещества медленно вступают в реакцию, поэтому,

309

до ее начала раствор можно инъецировать в грунт. Через 28 суток кубиковая прочность песка, закрепленного однорас-творным методом силикатизации, достигает 0,4...0,5 МПа.

Лёссовые просадочные грунты с коэффициентом фильтра­ции 0,1...2 м/сут закрепляют путем нагнетания в них одного раствора силиката натрия, так как в таких грунтах, как пра­вило, имеются соли, способные взаимодействовать с ним.

Необходимое количество инъецируемого раствора определяют по формуле

(12.10)

где а — коэффициент; принимается при крупных и средней крупности песках равным 0,5 (для каждого раствора), при мелких и пылеватых песках — 1,2, при лессах —0,8; п — пористость грунта; V — объем закрепляемого грунта.

Для оценки радиуса распространения нагнетаемого раство­ра и установления требуемого количества его на площадке строительства производят опытное закрепление грунтов.

12.4.4. Электрохимическое закрепление

Однорастворный метод силикатизации применим только в грунтах с коэффициентом фильтрации более 0,1...0,2 м/сут. Слабые грунты (илы, глины и суглинки, находящиеся в текучем и текучепластичном состоянии), как правило, имеют коэффи­циент фильтрации меньше указанных величин. Чтобы ввести растворы силиката натрия и хлористого кальция, через такие грунты пропускают постоянный электрический ток, При пропу­скании тока в грунтах развивается электроосмос — движение воды, находящейся в порах, от анода к катоду. Используя это явление, через перфорированный анод вводят в грунты химиче­ские вещества, в т. ч. последовательно раствор силиката нат­рия и хлористого кальция. Введение этих химических веществ позволяет закрепить грунты с коэффициентом фильтрации ОД...0,005 м/сут (пылеватые пески, супеси и легкие суглинки).

12.4.5. Смолизация

Растворы синтетических смол, способных твердеть в грунтах, можно нагнетать в поры грунта. После твердения смол грунт превращается в достаточно твердое тело. В качестве вяжу­щего вещества в настоящее время широко применяют карбамид-ную смолу с отвердителями.

Карбамидную смолу используют для омоноличивания мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5...5 м/сут, а также для закрепления лёссовых грунтов. В качестве отверди-теля используют, в частности, раствор соляной кислоты, соеди­няя с ним раствор корбамвдной смолы непосредственно перед

310

инъецированием. Иногда в грунт предварительно нагнетают¹ раствор соляной кислоты 3...5 %-ной концентрации.

Примером применения раствора карбамидной смолы являет­ся укрепление пылеватых песков в основании Государственного академического театра оперы и балета им. С. М. Кирова в Ле­нинграде во время его реконструкции.

В настоящее время известно несколько видов синтетических смол (фенольиые, фурановые и др.), которые можно использо­вать для закрепления грунтов, в т. ч. получаемые из отходов производства. Для закрепления супесей и суглинков начинают также применять электросмолизацию.

12.4.6. Термический метод

Этот метод закрепления грунтов применяют для устра­нения просадочности и увеличения прочности лёссов. Чаще все­го его используют, если в результате случайного замачивания грунтов основания сооружение начинает получать нежелатель­ные неравномерные осадки. Термическому закреплению под­даются также глины и суглинки, если они обладают воздухо­проницаемостью.

Сущность термического закрепления заключается в увеличе­нии прочности структурных связей в грунте под влиянием высо­кой температуры. Для обжига грунта в пробуренных скважинах сжигают топливо (газообразное, жидкое или твердое), в каче­стве которого используют обычно природный и иные горючие газы, соляровое масло, мазут и др. С целью поддержания про­цесса горения в скважины подают воздух под давлением.

Подачу воздуха и топлива регулируют так, чтобы в скважи­нах поддерживалась температура около 800 °С и проникающие в поры грунта горячие газы нагревали бы его до температуры не ниже 300 °С. Эффективный обжиг лёссового грунта происхо­дит в диапазоне температур 400...800 °С. При температуре ниже 300 °С устранение просадочных свойств лёссов не обеспечивает­ся. При температуре выше 900 °С происходит спекание грунта и оплывание стенок скважины.

При сжигании топлива в верхней части скважины столб обожженного грунта получает форму усеченного конуса (рис. 12.12). Для увеличения поперечного сечения нижней части столба обожженного грунта приходится регулировать процесс фильтрации нагретых в скважине газов. С этой целью в сква­жину опускают трубу, тампонируя затрубное пространство отсе-кателем.

Обжиг грунта продолжается 5... 10 дней. При расходе жид­кого топлива 80...180 кг на 1м длины скважины вокруг нее об­разуется столб закрепленного грунта диаметром 1,5.„3 м с ку-биковой прочностью 1...3 МПа,

811

V////////////W//,

Рис. 12.12. Схема установки для термического закрепления грунтов

1 — компрессор; 2 — форсунка; 3 — насос для подачи топлива; 4 — трубопровод; 5 — емкость с топливом; 6 — закрепленный грунт; 7 — лёссовый грунт; 8 — непросадочный

грунт

Стоимость закрепления грунта обжигом во много раз мень­ше стоимости силикатизации и электрохимического закрепле­ния грунта.

12.4.7. Битумизация и глинизация

Оба эти метода используются для уменьшения водопро­ницаемости грунтов.

Битумизацию применяют для снижения водопроницаемости трещиноватой скальной породы. При этом в скважины нагне­тают расплавленный битум или битумную эмульсию с коагулян­том. Битум тампонирует полости и трещины в грунте, фильтра­ция воды прекращается или сильно снижается.

Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Нагнетание глинистой суспензии в сравнительно тонкие поры песков приводит к выпадению в них глинистых частиц — к заилению песков. В результате коэффициент фильтрации пе­сков уменьшается на несколько порядков.

13. КРЕПЛЕНИЕ СТЕН

И ОСУШЕНИЕ КОТЛОВАНОВ. ФУНДАМЕНТЫ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

13.1. Общие положения

При устройстве фундаментов в открытом котловане вы­полняют следующие основные работы: снятие почвенно-расти-тельного слоя, планировку территории, отрывку котлована,

S12

крепление стен котлована, осушение его, подготовку основания, устройство самих фундаментов, обратную засыпку пазух грун­том с надлежащим уплотнением.

Иногда до отрывки котлована приходится осушать террито­рию с помощью дренажных устройств, организовывать отвод поверхностных вод.

Вопросы снятия почвенно-растительного слоя и планировки территории относятся к разделу «Инженерная подготовка тер­риторий» курса «Архитектура».

Применяемые способы отрывки и крепления стен котлованов должны обеспечивать сохранность природной структуры грун­тов в основании возводимых фундаментов. В связи с этим при залегании непосредственно ниже дна котлована сравнительно слабых насыщенных водой пылевато-глинистых 'грунтов с легко нарушаемой от динамических воздействий природной структу­рой нельзя применять механизмы, которые могут ухудшить строительные качества грунтов основания.

При отрывке котлованов глубиной 1...3 м в неводоносных грунтах часто не требуется крепление их стенок, устраиваемых с откосом. При отрывке сравнительно глубоких котлованов, осо­бенно ниже уровня подземных вод, приходится укреплять стены котлованов и решать вопросы их осушения.

Устройство фундаментов важно выполнять в минимальные сроки, особенно в дождливый и зимний периоды года. Чем ско­рее после отрывки котлована возводят фундамент и засыпают пазухи, тем сохраннее природная структура грунтов в основа­нии и меньше затраты на осушение котлована.

Иногда фундаменты устраивают не в открытом котловане, а на поверхности грунта. Для погружения на необходимую глу­бину из-под них извлекают грунт. В некоторых случаях фунда­менты устраивают в изготовленных заранее полостях в грунте. Так погружают опускные колодцы, кессоны, оболочки и делают опоры глубокого заложения (столбы). Такие фундаменты назы­вают фундаментами глубокого заложения, так как глубина по­гружения их подошв часто в несколько раз превышает размеры в плане. Сооружение фундаментов глубокого заложения направ­лено на сохранность структуры грунтов в основании и передачу больших давлений на плотные грунты.

13.2. Крепление стен котлованов