10. Укрепление грунтов основания

10.1. Для ликвидации неравномерных деформаций здания, а также для передачи дополнительных нагрузок на фундаменты часто применяют усиление их оснований химическим, физико-химическим и термических укреплением, включением в основание элементов повышенной жесткости. При этом земляные работы, замену или усиления самих фундаментов не производят.

Выбор метода усиления зависит от конструкции и размеров фундамента, конструктивных особенностей здания, инженерно-геологических условий и т.д..

По характеру размещения инъекторов или прохождения скважин относительно фундаментов укрепление бывает вертикальное, наклонное, горизонтальное и комбинированное.

10.2. Способ укрепления грунтов основания существующего здания выбирают, используя данные таблицы 10.1.

Способы укрепления грунтов основания

Таблица 10.1

Метод укрепления	Вид грунта	Коэффициент фильтрации kf, м/сут.
Цементация Силикатизация: двухрастворная однорастворная газовая однорастворная Электросиликатизация Термическое закрепеление	Крупнообломочные и песчаные Крупнообломочные и песчаные Крупнообломочные и песчаные Крупнообломочные и песчаные Просадочный Просадочный Глинистый и песчаный Просадочный суглинок и глина	80…500 2…80 0,5…5,0 5,0…50 ≥0,1 ≥0,2 0,005…0,5 Любой

Силикатизация основана на применении силикатных растворов и их производных, которые при соединении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, цементирующей частицы грунта, главным образом просадочного. При двухрастворном способе через инъекторы из стальных труб диаметром 19…38мм, забитые на заданную глубину, закачивают поочередно растворы силиката натрия и коагулянт – хлористый кальций. Образуемый в результате смешения гель кремниевой кислоты придает грунту прочность при сжатии 1,5…5МПа и водонепроницаемость.

При однорастворном способе силикатизации в грунт закачивают один гелеобразующий раствор, приготовленный из смеси силиката натрия с коагулянтом – ортофосфорной кислотой или алюминатом натрия. Образование геля в грунте при смешении этих растворов происходит в заданное время, зависящее от количества коагулянта. Закрепленный однорастворной силикатизацией грунт имеет прочность на сжатие 2...5МПа.

Газовая силикатизация просадочного грунта представляет собой нагнетание в грунт двуокиси углерода для предварительной его активизации с последующей закачкой силикатного раствора. После нагнетания силикатного раствора в грунт снова закачивают двуокись углерода. Способ газовой силикатизации позволяет закреплять лессовые грунты в более широком диапазоне степени их влажности. Модуль деформации и удельное сцепление закрепленного газовой силикатизацией грунта на 35…200% выше, чем при обычной силикатизации.

Электрохимическое закрепление может быть использовано для повышения несущей способности и уменьшения деформируемости водонасыщенных глинистых, пылеватых и илистых грунтов с коэффициентом фильтрации k_f=1·10^-2…1·10^-8м/сут. Оно основано на сочетании воздействия постоянного электрического тока на грунты и вводимых в него химических добавок. От того, какого рода добавки используются в этом процессе, зависит вид закрепления. Так, электросиликатизация грунтов основана на сочетании закрепления грунтов способом силикатизации и обработки их постоянным электрическим током. Электрический ток ускоряет и облегчает проникание химических растворов в грунт. Условием применения способа является наличие водонасыщенных грунтов.

Термическое закрепление основано на нагнетании в грунтовой массив теплового потока, который, проникая в поры, обжигает грунт, увеличивая его прочность и ликвидирует просадочные и пучинистые свойства.

Обжиг грунтов производится через специальные герметизированные или открытые нагревательные скважины. При этом просадочные грунты следует обжигать на всю глубину просадочной толщи, а в остальных случаях – на глубину, определяемую расчетами по двум предельным состоянием.

В качестве источников тепла при обжиге с помощью нагревательных элементов (форсунок, горелок и т.п.) используются все виды топлива, в том числе электроэнергия.

С помощью термического закрепления можно немедленно прекратить процесс осадок, в том числе аварийных, вызванных увлажнением грунтов под нагрузкой.

10.3. Алгоритм проектирования укрепления оснований и фундаментов однорастворной силикатизацией.

10.3.1. Проверяем основание по несущей способности:

N≤F,

где: N – расчетная нагрузка на укрепленное основание, кН;

F – несущая способность укрепленного грунта, кН.

F=_с_mR_cA (10.1)

_с – коэффициент условий работы укрепленного грунта, _с=1,5;

_m – коэффициент, учитывающий разную степень укрепления грунта в лабораторных и полевых условиях, _m=1,2;

А – площадь поперечного сечения усиленного массива грунта, м²;

R_c – расчетное сопротивление укрепленного грунта сжатию:

R_c=σ_ck₁k₂k₃k₄ (10.2)

σ_c – сопротивление сжатию 28-ми суточного силикатизированного грунта при S_r=0,8 и удельном потреблении силиката натрия 70…140кг/м³ (σ_c=400…850кПа);

k₁ – коэффициент однородности силикатизированного грунта, k₁=0,6;

k₂ – коэффициент длительной прочности грунта зависит от его степени влажности S_r и принимается равным k₂=0,6…0,8;

k₃ – поправочный коэффициент к прочности грунта, который учитывает роботу укрепленного грунта в лессовой толще при наличии сложного напряженного состояния и принимается в при изменении бокового давления σ_x=0…250кПа равным k₃=1,0…1,8;

k₄ – коэффициент условий работы основания, который учитывает изменение влажности грунта и возможного его замачивания; как правило, расчет выполняют для S_r=0,8…1,0; в этом случае k₄=1,0.

10.3.2. Нагрузки, которые действуют на укрепленный грунт от сооружения, не должны превышать расчетное сопротивление материала опоры, который соответствует предельной осадке, т.е. N≤R_з.

Расчетное сопротивление материала опоры определяется из выражения:

R_з=_сАR (10.3)

где: _с – коэффициент условий работы, _с=0,7;

R – расчетное сопротивление грунта основания у площади опоры при ξS_u<S₁.

R= (10.4)

k – коэффициент пропорциональности (принимается в зависимости от отношения глубины заложения силикатизированной опоры, h, к её диаметру, D, т.е. k=f(h/D)=1,0…5,0);

Е – модуль деформации грунта основания силикатизированной опоры (определяют по результатам наблюдений или по табл. В.1 или В.3, Прил. В, ДБН В.2.1-10-2009), МПа;

ξ – коэффициент, который учитывает изменение осадки во времени, ξ=0,3;

S_u – предельная деформация основания (Прил. И, ДБН В.2.1-10-2009);

β – коэффициент, β=0,6;

D – диаметр опоры, м;

S₁ – осадка опоры, которая соответствует границе пропорциональности:

S₁= (10.5)

R₁ – предельное сопротивление грунта основания опоры, кПа (МПа):

R₁=1,3с₁N_с+h_I''N_q+0,3D_IN_ (10.6)

с₁ – удельное сцепление грунта основания, кПа (МПа);

N_с, N_q, N_ - коэффициент несущей способности (принимаются по таблице 10.2);

σ_zi – напряжение в теле опоры, которое создается его массою и действующими напряжениями, кПа (МПа);

h – высота опоры, м;

Е_i – модуль пропорциональности материала опоры, МПа.

Коэффициенты несущей способности (лессовый грунт)

Таблица 10.2

φ, рад (град)	Nс	Nq	N
0,148(15º) 0,350(20º) 0,437(25º) 0,525(30º)	8,5 12,2 14,2 17,5	2,4 3,6 5,0 8,2	0 1 2 6

10.3.3. Рассчитывают параметры укрепления. Радиус укрепления определяют с учетом проницаемости лессовых грунтов: r=(k_f) по таблице 10.3.

Радиус укрепления грунта

Таблица 10.3

Начальный коэффициент фильтрации kf, м/сут	Радиус укрепления грунтов, r
0,09…0,37 0,37…0,69 0,69…1,04 1,04…2,16	0,4…0,7 0,7…0,9 0,9…1,3 1,3…1,5

Для создания сплошного укрепления массива инъекторы размещают в шахматном порядке на расстоянии между рядами:

l_р=1,5r (10.7)

а расстояние между инъекторами определяют по формуле:

l_н=1,73r (10.8)

Расчетная высота массива, закрепленного за один заход, определяют по формуле:

l_з=l₁+r (10.9)

где: l₁ – длина рабочей части инъектора, м.

Объем закрепленного грунта одиночным инъектором за один заход вычисляют по формуле:

q_гр=πr²l_з (10.10)

а общий объем закрепленного грунта:

Q_гр= πr²l_зm_з (10.11)

m_з – количество заходов.

Объем раствора силиката натрия на один заход:

q=πr²l_з (10.12)

n – пористость грунта, n=е/(1+е);

ω – природная влажность грунта;

ρ_ω=1т/м³ – плотность воды.

Плотность раствора силиката натрия:

ρ₌ρ_ω+ (10.13)

ρ_si, ρ_ω – плотность раствора соответственно силиката натрия и воды, т/м³;

q_гр, q – объем соответственно грунта, закрепленного одним инъектором, который идет на одну заходку, м³.

Удельное потребление силиката натрия:

q₁= (10.14)

k_R – коэффициент, учитывающий изменение прочности укрепленного грунта от его свойств, k_R=1,2;

R_с.ср, R_m – соответственно проектная и максимальная прочность укрепленного грунта, кПа;

R – прочность грунта природного сложения (расчетное сопротивление), кПа.