книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

влажности 5Г=0,3...0,7 на глубину до 20 м. Суть метода заключает­ ся в устройстве вертикальной волости в основании, которая затем засыпается местным грунтом с послойным уплотнением. В резуль­ тате этого образуется массив уплотненного грунта, характеризу­ ющийся повышенной прочностью и более низкой сжимаемостью. Устройство грунтовых свай в просадочных грунтах позволяет устранить просадочные свойства.

Уплотнение оснований грунтовыми сваями производится двумя методами, отличающимися по способу устройства полости.

В перзом методе в уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины, используя станки ударно-канатного бурения или навесное оборудование к крану-экскаватору. Диаметр скважины в зависимости от применяемого оборудования составляет от 0,4 до 1,0 м при диаметре зоны уплотнения 1,4...3,6 м (рис. 12.11).

Второй метод основан на использовании для глубинного уплот­ нения грунтов энергии взрыва. Заряды ВВ массой 5... 12 кг размеща­ ются гирляндой в интервале глубин 3...12 м в пробуренных или пробитых скважинах-шпурах диаметром 60...80 мм, располагаемых

,на расстоянии 4... 10 м одна от другой (рис. 12.12). После взрыва заряда образуется вертикальная полость диаметром 5Q0...6Q0 мм.

Засыпка скважин выполняется местным лессовым или пылевато­ глинистым грунтом при влажности, близкой к оптимальной. Грунт засыпается порциями по 0,25...0,3 м3 с послойным уплотнением трамбующим снарядом в виде параболоидного клина диаметром 280...320 мм и весом 3,5 кН, сбрасываемым в высоты 2,5...3 м (см. рис. 12.11). Грунт в скважине уплотняется до удельного веса не менее 17,5 кН/м3. Количество грунтового материала по весу, необходимое для набивки 1 м длины скважины, определяется по формуле

где кс— коэффициент, принимаемый для супесей равным 1,4, для суглинков и глин — 1,1; Ар — площадь поперечного сечения сква­ жины; сот— удельный вес скелета уплотненного грунта в сква­

жине, кН/м3; w — влажность грунта, засыпаемого в скважину. Расстояние между грунтовыми сваями, располагаемыми, как

и песчаные, в шахматном порядке, и общее их число определяются по формулам (12.7)...(12.9).

При контроле за качеством пробивки скважин проверяют их диаметр, глубину и расстояние между скважинами поверху. Бели получившиеся расстояния между скважинами превышают заданные в проекте более чем на 20;..25%, то проходят дополнительные скважины наконечником меньшего диаметра (210...250 мм). При заполнении скважин контролируются объем засыпаемого грунта, влажность и однородность состава. После завершения работ опре­ деляют плотность скелета уплотненного грунта и его влажность. Для гарантии высокого качества работ и подбора оптимального

331

режима уплотнения проводят уплотнение грунтов на опытной пло­ щадке в предпостроечный период.

Известковые сваи применяют для глубинного уплотнения водонасыщенных заторфованных и пылевато-глинистых грунтов. В тол­ ще грунтов пробуривают скважины диаметром 320...500 мм. Если грунт не сохраняет вертикальные стенки скважин, то используют ту же технологию, иго и при устройстве песчаных свай,— при помощи инвентарной обсадной трубы с самораскрывающимся наконечни­ ком. Скважины заполняют негашеной комовой известью. Известь засыпают таким образом, чтобы при извлечении обсадной трубы толщина слоя извести в нижней части трубы составляла не менее 1 м, и уплотняют трамбовкой весом 3...4 кН.

Уплотнение грунтов при применении известковых свай проис­ ходит в результате действия следующих факторов. Первоначально слабые водонасыщенные грунты уплотняют в процессе погружения инвентарной трубы с закрытым концом. Когда в скважину засыпа­ ется негашеная известь и уплотняется трамбованием, происходит некоторое (до 20%) увеличение диаметра сваи. Негашеная комовая известь при взаимодействии с норовой водой гасится и в процессе гашения увеличивается в объеме. В некоторых случаях при гашении диаметр известковой сваи увеличивается еще на 60...80%. Этим создается дополнительное уплотнение окружающего сваю грунта. При гашении извести происходит большое выделение тепла и тем­ пература тела сваи достигает 300° С. Под действием высокой тем­ пературы происходит частичное испарение норовой воды, в резуль­ тате чего уменьшается влажность грунта и ускоряется уплотнение.

При взаимодействии негашеной комовой извести с грунтом происходит также физико-химическое закрепление грунта в зонах, примыкающих к поверхности сваи, и увеличиваются прочностные и деформационные характеристики грунтов. Обычно после устрой­ ства известковых свай по поверхности отсыпают слой из местного грунта толщиной 2...3 м, уплотняемый тяжелыми трамбовками.

Проектирование основания с известковыми сваями аналогично рассмотренному случаю уплотнения песчаными сваями. Однако расчетный диаметр следует принимать с учетом расширения площа­ ди известковой сваи при уплотнении извести и ее гашении. Сто­ имость известковых свай довольно низкая, поэтому они относятся к одним из самых дешевых способов улучшения свойств слабых водонасыщенных оснований.

Глубинное виброуплотнение применяют в рыхлых песчаных грун­ тах естественного залегания, а также при укладке несвязных грунтов в насыпи, устройстве обратных засыпок.

При вибрации сыпучие грунты, у которых отсутствует сцепление между частицами, приходят в движение и под действием инерцион­ ных сил вибрации и сил тяжести происходит смещение частиц. В результате рыхлые пески или другие сыпучие материалы, напри­ мер шлаки, уплотняются. Эффективность уплотнения повышается

332

при подаче в зону уплотнения воды. Поэтому, если песок находится в ненасьнцекном водой состоянии, к месту виброуплотнения по­ дают воду. Такой метод часто называют гид­ ровиброуплотнением. При помощи виброуплотнения плотность скелета песчаного

через каждые 410...450 мм по высоте горизон­ тальными ребрами. При необходимости эта установка оборудуется

системой подачи воды'в зону уплотнения под давлением 4...6 МПа. Расстояние между точками погружения обычно составляет 2...3 м и уточняется опытным путем. Общая высота уплотняемой толщи может достигать 20 м. Полный цикл уплотнения песчаной толщи в одной точке состоит из 4..5 чередующихся погружений и подъемов виброустановки. Производительность указанных виброустановок составляет 170...300 м3/ч.

Для гидровиброуплотнения применяют также гидровибрацион­ ную установку С-629, обеспечивающую одновременную подачу во­ ды в грунт и его уплотнение вибрацией. Гидровиброустановку размещают в вертикальном положении над местом погружения, включают вибратор и одновременно через нижние сопла под давле­ нием 4...6 МПа подается вода. Вибратор погружается под действи­ ем собственного веса со скоростью 1,5...3 см/с. После погружения установки на заданную глубину через верхние сопла подают воду, поднимая установку. Производительность установки С-629 — 125 м3/ч.

До начала работ по виброуплотнению песчаных оснований про­ водят опытные работы, по результатам которых устанавливают оптимальный режим уплотнения, число повторных погружений, время, необходимое для достижения проектной плотности сложения песчаного грунта, а также уточняют сетку погружения, при которой

333

достигается максимальная производительность и обеспечивается заданная плотность. Качество уплотнения контролируют статичес­ ким зондированием, а также путем отбора образцов уплотненного грунта.

Предварительное уплотнение оснований статической нагрузкой применяют для улучшения строительных свойств слабых водонасы­ щенных пылевато-глинистых грунтов и торфов при их распрост­ ранении на значительную глубину. Статическая нагрузка создается отсыпкой на уплотняемой площади насыпи из местных материалов.

Давление по подошве насыпи должно быть не менее давления, передаваемого на основание проектируемым сооружением. По­ скольку высота временных насыпей ограничена, так как для их возведения необходимо транспортирование огромного количества материала, этот метод применяется в основном для уплотнения оснований сооружений, передающих относительно небольшие дав­ ления на основание,— малоэтажных зданий, аэродромных и дорож­ ных покрытий, резервуаров и т. п.

При использовании этого метода для уплотнения толщ слабых грунтов мощностью боЛее 10 м требуется длительное время для завершения процессов консолидации и стабилизации осадок, по­ скольку водопроницаемость слабых, особенно пылевато-глинистых грунтов, весьма незначительна. Для ускорения процесса уплотнения используют вертикальные дрены различных конструкций: песча­ ные дрены, бумажные комбинированные д р ен ы и т .п .

Технология устройства вертикальных песчаных дрен аналогична технологии изготовления песчаных свай.

Бумажная комбинированная дрена имеет поперечное сечение 4х 100 мм и состоит из полимерного жесткого ребристого сердеч­ ника и фильтрующей оболочки. Дрена вводится в грунт в обсадной трубе прямоугольного сечения статическим вдавливанием. Глубина уплотняемой толщи грунтов при этом может достигать 20 м. Шаг песчаных дрен обычно принимают равным 1,5...3 м, бумажных комбинированных дрен — 0,6...1,2 м. Затем производится отсыпка песчаной подушки для сбора и отвода фильтрующей воды, после чего возводится временная насыпь. Контроль процесса уплотнений ведется путем наблюдения за осадками уплотняемого массива. После стабилизации осадок насыпь удаляется и площадка готова для проведения планировочных и строительных работ.

Уплотнение грунта водопониженнем. Метод эффективен при уп­ лотнении оснований, сложенных мелкими и пылеватыми песками. При коэффициенте фильтрации песков от 0,05 до 0,002 см/с для водопонижения используют иглофильтровальные установки. При содержании в пылеватых песках большого количества глинистых частиц и коэффициенте фильтрации менее 0,002 см/с применяют эжекторные иглофильтры, позволяющие понижать уровень подзем­ ных вод до глубины 25 м. Водопонижение в пылевато-глинистых грунтах, коэффициент фильтрации которых менее 0,0001 м/с, .пронз-

334

водится с помощью электроосмоса. Для этого в грунт погружа­ ют иглофильтры, являющиеся катодами, и металлические стерж­ ни — аноды. При пропускании через грунт постоянного электричес­ кого тока происходит передвижение воды к иглофильтру-катоду и эффективный коэффициент фильтрации увеличивается в 10...100 раз.

Понижение уровня подземных вод приводит к тому, что в пре­ делах зоны водопонижения снимается взвешивающее действие воды на скелет грунта. В единице объема грунта возникает дополнитель­ ная массовая сила, равная разнице между удельным весом влажного грунта и удельным весом скелета грунта, взвешенного в воде, т. е. У—Узь, которая и вызывает уплотнение грунтового массива.

/

12.4. Закрепление грунтов

Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразова­ нии строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами. В про­ цессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет инъецирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водо­ проницаемости и чувствительности к изменению .внешней среды, особенно влажности. Важным условием применимости инъекцион­ ных методов закрепления является достаточно высокая проница­ емость грунтов.

Методы инъекционного закрепления грунтов, не сопровожда­ емые механическими, в особенности динамическими воздействиями, в основном применяют для усиления оснований сооружений, защи­ ты существующих, зданий и сооружений при строительстве новых, в том числе подземных, сооружений, создания противофильтрационных завес. Вследствие их высокой стоимости целесообразность применения методов закрепления грунтов на вновь осваиваемых строительных площадках должна обосновываться технико-эконо­ мическим расчетом.

Цементация грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозер­ нистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов более 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.

Цементационный раствор обычно состоит из цемента и воды при водоцементном отношении 0,4...1,0.

Для цементации грунтов применяют забивные инъекторы или инъекторы-тампоны, опускаемые в пробуренные скважины. Инъек­ торы представляют собой трубу диаметром 25... 100 мм, снабжен-

335

ную перфорированным звеном длиной 0,5...1,5 м. После погружения инъектора в грунт или скважину в трубу под давлением подается чистая вода и скважина промывается. Затем через трубу нагнетается цементный раствор, который, проникая в грунт, цементирует его.

При цементации карстовых пустот и трещиноватой скалы при­ меняют цементационный раствор при небольшом водоцементном отношении. Кроме того, в раствор часто добавляют песок.

Радиус закрепления грунта, давление нагнетания, расход цемент­ ного раствора и прочность зацементированных грунтов устанавли­ вают в процессе опытных работ.

Метод цементации применяют также для усиления конструкции самих фундаментов. Для этого в теле фундаментов пробуриваются шпуры, через которые в материал или кладку фундамента под высоким давлением нагнетается цементный раствор.

Силикатизация грунтов. Применяют для химического закрепле­ ния песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут, мак­ ропористых просадочных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут и отдельных видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в грунты нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твер­ деющий с течением времени.

Песчаные грунты с коэффициентом фильтрации 2...80 м/сут за­ крепляются двухрастворны м способом силикатизации, разра­ ботанным Б. А. Ржаницыным. Способ заключается в следующем. В грунт погружаются инъекторы, представляющие собой трубы диаметром 38 мм с нижним перфорированным звеном длиной 0,5...1,5 м. Через инъекторы в грунт нагнетается раствор силиката натрия под давлением до 1,5 МПа. Через соседнюю трубу нагнета­ ют раствор хлористого кальция. Инъекторы погружаются попарно на расстоянии 15...25 см друг от друга. Иногда оба раствора пооче­ редно нагнетаются через один и тот же инъектор. Раствор силиката натрия вводится в грунт заходками 1 м по глубине при погружении инъектора. Затем такими же заходками, но уже в процессе извлече­ ния инъектора производится нагнетание второго раствора. Радиус закрепления грунта составляет 30... 100 см. Процесс гелеобразования протекает очень быстро. После полного твердения геля, на что требуется 28 дней, закрепленный песчаный грунт приобретает про­ чность на одноосное сжатие 2...5 МПа. (

При закреплении мелких песков и плывунов, имеющих коэф­ фициент фильтрации в пределах 0,5...1,0 м/сут, в грунт нагнетается подготовленный заранее гелеобразующий раствор, представля­ ющий собой смесь растворов крепителя и отвердителя. Варьируя состав отвердителя, можно регулировать в широких пределах (от 20...30 мин до 10...16 ч) время гелеобразования. Для обеспечения необходимого радиуса закрепления в малопроницаемых грунтах применяются рецептуры с большим временем гелеобразования.

336

Рис. 12.14. Схемы Закрепления методом силикатизации оснований фун­ даментов (а), защиты фундаментов зданий при строительстве подземных сооружений (б), при возведении зданий (в):

1 — фундамент;2 — иньекторы;3 — зонызакрепления;4 — строящееся подземное сооружение; 5 — существующий тоннель; 6 — строящееся здание

Прочность гелей кремниевой кислоты по однорастворным рецеп­ турам невелика. Закрепленные ими лески и плывуны приобретают прочность на одноосное сжатие порядка 0,2 МПа, за исключением кремнефторсиликатной рецептуры, придающей прочность до 2...4 МПа, и силикатно-органических рецептур.

Силикатизация эффективна для закрепления макропористых лес­ совых грунтов вследствие их высокой проницаемости. Особенно­ стью силикатизации лессов является то, что в состав этих грунтов входят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. По­ этому силикатизация лессов проводится классическим однораст­ ворным м етодом , осуществляемым инъекцией в толщу лессовых грунтов раствора силиката натрия. Процесс закрепления проис­ ходит мгновенно, прочность растет очень быстро и может дости­ гать для закрепленного массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию просадочных свойств.

На рис. 12.14 показаны примеры использования силикатизации в строительстве. ,

В нашей стране по предложению В. Е. Соколовича применяют газовую силикатизацию песчаных и макропористых лессовых грун­ тов, основанную на использовании в качестве отвердителя жидкого стекла углекислого газа (диоксида углерода). Технология способа состоит в том, что в грунт через забитые инъекторы или специально оборудованные скважины нагнетается углекислый газ для пред­ варительной активизации грунта, затем раствор силиката натрия и вторично углекислый газ для отверждения. Прочность закреплен­ ных методом газовой силикатизации песков составляет 0,8... 1,5 МПа, лессовых грунтов — 0,8...1,2 МПа.

Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы распола­ гают в шахматном порядке. Расстояние между рядами инъекторов определяют по формуле

337

где г — радиус закрепления, меняющийся в зависимости от рецеп­ туры закрепляющих растворов и коэффициента фильтрации грунта в пределах 0,3...1,0 м.

Объемы закрепляющих растворов находят по зависимости

где V — объем закрепляемого грунта; п — пористость грунта; as — коэффициент, принимаемый при двухрастворной силикатизации для каждого раствора 0,5; при однорастворной силикатизации пес­ ков — 1,2; лессовых просадочных грунтов — 0,7; при газовой сили­ катизации песчаных грунтов — 0,7; плывунов и лессовых просадоч­ ных грунтов — 0,8.

Уточнение технологической схемы и параметров закрепления производится путем проведения опытных работ. Качество закрепле­ ния грунтов проверяют бурением контрольных скважин с отбором кернов, вскрытием шурфов с отбором образцов, определением удельного водопоглощения, методами электрокаротажа и зондиро­ вания.

Смолнзация. Метод закрепления грунтов смолами получил на­ звание смолизации. Сущность его заключается во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями — кислотами, кислыми солями.

Через определенное время в .результате взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется. Обычное время гелеобразования 1,5...2,5 ч при времени упрочнения до 2 сут. Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэфшщентом фильтрации 0,5...25 м/сут. Прочность на одноосное сжатие закрепленного карбамидной смолой песка колеблется

впределах 1...5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы

врастворе.

Организация работ по закреплению грунтов смолами анало­ гична организации работ по силикатизации. Радиус закрепленной области основания составляет 0,3...1,0 м в зависимости от ко­ эффициента фильтрации песка. Метод относится к числу доро­ гостоящих. Закрепление карбамидными смолами успешно приме­ нялось при строительстве Новолипецкого завода, Харьковского метрополитена.

Глинизация и битумизация. Глинизацию Применяют для умень­ шения водопроницаемости песков. Технология глинизации заклю­ чается в нагнетании через инъекторы, погруженные в песчаный грунт, водной суспензии бентонитовой глины с содержанием монт­

338

мориллонита не менее 60%. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается на несколько порядков.

Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопро­ ницаемости трещиноватых скальных пород. Метод сводится к на­ гнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот и массив становится практически водо­ непроницаемым.

Электрохимическое закрепление грунтов. Метод применяют для закрепления водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов в соче­ тании с электроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые, соеди­ няясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Со­ здаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой геля­ ми солей железа и алюминия. При этом прочность грунтов сущест­ венно возрастает, резко снижается их способность к набуханию.

Напряжение тока при электрохимическом закреплении составля­ ет 80... 100 В, плотность тока 5..7 А/м2, расход энергии 60... 100 кВт ■ч на 1 м3 закрепляемого грунта.

Термическое закрепление грунтов. Применяют для упрочнения маловлажных пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопро­ ницаемостью. Наиболее часто этот метод используется для устране­ ния просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глуби­ на закрепляемой толщи достигает 20 м.

Сущность метода термической обработки заключается в том, что через грунт в течение нескольких суток пропускают раскален­ ный воздух или раскаленные газы. Под действием высокой тем­ пературы отдельные минералы, входящие в состав скелета, опла­ вляются. В результате этого образуются прочные водостойкие стру­ ктурные связи между частицами и агрегатами грунта. Кроме того, при обжиге грунты теряют значительную часть химически связан­ ной воды, что изменяет свойства грунтов и уменьшает или полно­ стью ликвидирует, просадочность, размокаемость, способность к набуханию.

Температура газов, которыми производится обработка грунта, Не должна превышать 750...850° С. Если температура газов окажет­ ся выше, стенки скважин оплавляются и становятся газонепроница­ емыми. При температурах ниже 300° С ликвидация просадочности лессов не происходит.

Существуют различные способы, оборудование и технологичес­ кие схемы термического закрепления.

Одна из технологий заключается в следующем. Пробуривают скважины диаметром 100...200 мм, которые закрывают специаль­ ными керамическими затворами. В затворе оборудуется камера сгорания, к которой подают топливо (горючие газы, соляровое масло, нефть и т. п.) и воздух под давлением. Для обеспечения

339