книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

временных насыпей ограничена, так как для их возведения необ­ ходимо транспортирование огромного количества материала, этот метод применяется в основном для уплотнения оснований сооруже­ ний, передающих относительно небольшие давления на основа­ ние,— малоэтажных зданий, аэродромных и дорожных покрытий, резервуаров и т. п.

При использовании этого метода для уплотнения толщ слабых грунтов мощностью более Ю м требуется длительное время для завершения процессов консолидации и стабилизации осадок, по­ скольку водопроницаемость слабых, особенно глинистых, грунтов весьма незначительна. Для ускорения процесса уплотнения исполь­ зуют вертикальные дрены различных конструкций: песчаные дре­ ны, бумажные комбинированные дрены 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 уплотнения ведется путем наблюдения за осадками уплотняемого массива. После, стабилизации осадок насыпь удаляется и площадка готова для проведения планировочных и строительных работ.

Уплотнение грунта водопоннженнем. Метод эффективен при уп­ лотнении оснований, сложенных мелкими и пылеватыми песка­ ми. При коэффициенте фильтрации песков от 0,05 до 0,002 см/с для водопонижения используют иглофильтровальные установки. При содержании в пылеватых песках большого количества гли­ нистых частиц и коэффициенте фильтрации Менее 0,002 см/с приме­ няют эжекторные иглофильтры, позволяющие понижать уровень подземных вод до глубины 25 м. Водопонижение в глинистых грунтах, коэффициент фильтрации которых менее 0,0001 м/с, произ­ 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 до­ полнительная массовая сила, равная разнице между удельным

371

весом влажного грунта и удельным весом скелета грунта, взвешен­ ного в воде, т. е. у—уЛ) 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,

восновном применяют для усиления оснований сооружений, защи­ ты существующих зданий и сооружений при строительстве новых,

втом 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, галечнюсовых 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, снаб­ женную перфорированным звеном длиной 0,5...1,5 м. После погру­ жения 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, цемен­ тирует его.

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

372

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. Применяется для химического закрепле­ ния песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут, мак­ ропористых просадочцых 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 погружают инъекторы, представляющие собой трубы диа­ метром 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 нагнетают раствор хлористого кальция. Инъекторы погружаются попарно на расстоянии 15...25 см друг от друга. Иногда оба раствора поочеред­ но 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 прочность 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. Прочность гелей кремниевой кислоты по однорастворным рецеп­ турам невелика. Закрепленные ими пески 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.

373

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 одн ораст­ ворным методом, осуществляемым инъекцией в толщу лессовых грунтов раствора силиката натрия. Процесс гелеобразования проис­ ходит мгновенно, прочность растет очень быстро и может дости­ гать для закрепления массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию просадочных свойств.

На рис. 12.14 показаны примеры использования силикатизации

встроительстве.

Внашей стране по предложению В. £. 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 методов 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

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 песков — 1,2; лессовых просадочных грунтов — 0,7; при газовой силикатиза­ ции песчаных грунтов — 0,7; плывунов и лессовых просадочных грунтов — 0,8.

Уточнение технологической схемы и Параметров закрепления производится путем проведения опытных работ. Качество закрепле-

374

Битумизацию применяют в основномДля 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 глинистых грунтов в сочетании с эле­ ктроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа й алюминия. При этом прочность грунтов существенно 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 м* закрепляемого грунта.

Термическое закрепление грунтов. Наиболее часто этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина 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 окажется выше, стенки скважин оплавляются и становятся газонепроница­ емыми. При температуре ниже 300 °С ликвидации 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 заданной температуры обжига необходимо, чтобы количество воз­ духа, нагнетаемого в скважину, было не меньше установленной величины. Для поддержания температуры 750...850 °С расход воз­ духа на 1 кг горючего составляет 34...39 м3. При указанном

376

чтобы обожженные упрочненные зоны соприкасались между со­

бой.

Контроль процесса термического закрепления сводится к опре­ делению количества тепла, которое прошло через скважину в окру- ,хающий грунт. После окончания работ отбирают образцы закреп­ ленного грунта на различном расстоянии от скважины и испытыва­ ют их в лабораторных условиях. При термическом закреплении массива в виде отдельных термосвай рекомендуется проведение опытного закрепления испытанием термосвай статической нагруз­ кой. При сплошном обжиге грунтов в основании, когда грунтостолбы соприкасаются друг с другом, испытывают обожженный массив штампами площадью не менее 10000 см2.

ГЛАВА 13

ФУНДАМЕНТЫ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ. ЗАГЛУБЛЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ

При залегании прочных грунтов на значительной глубине, когда устройство фундаментов в открытых котлованах становится труд­ новыполнимым и экономически невыгодным, а применение свай не обеспечивает необходимой несущей способности, прибегают к устройству фундаментов глубокого заложения. Необходи­ мость устройства фундаментов глубокого заложения может быть вызвана и особенностями самого сооружения, например когда оно должно быть опущено на большую глубину (заглубленные и под­ земные сооружения). К таким сооружениям относятся подземные гаражи н склады, емкости очистных, водопроводных и канализаци­ онных сооружений, здания насосных станций, водозаборы, глубокие колодцы для зданий дробления руды, непрерывной разливки стали

имногие другие.

Внастоящее время в строительной практике применяют следу­ ющие виды фундаментов глубокого заложения: опускные колодцы, кессоны, тонкостенные оболочки, буровые опоры и фундаменты, возводимые методом «стена в грунте».

13.1. Опускные колодцы

Опускной колодец представляет собой замкнутую в плане н открытую сверху и снизу полую конструкцию, бетонируемую или собираемую из сборных элементов на поверхности грунта и погру­ жаемую под действием собственного веса или дополнительной при­ грузки по мере разработки грунта внутри ее (рис. 13.1).

После погружения до проектной отметки внутреннюю полость опускного колодца полностью или частично заполняют бетоном или используют для устройства заглубленного помещения.

378

Рис. 13.1. Последовательность устройства опускного колодца:

а — изготовление первого яруса опускного колодца ва поверхности грунта; 6 — погружение первого яруса опускного холодца в грунт; в — наращивание оболочки колодца; г — погружение колодца до проектной отметки; д — заполнение бетоном полости опускного колодца в случае использования его как фундамента глубокого заложения

Опускные колодцы могут быть выполнены из дерева, каменной или кирпичной кладки, бетона, железобетона, металла. Наибольшее распространение в современной практике строительства получили железобетонные колодцы.

По форме в плане опускные колодцы могут быть круглыми, квадратными, прямоугольной или смешанной формы с внутрен­ ними перегородками и без них (рис. 13.2). Форма колодца определя­ ется конфигурацией проектируемого сооружения, выбираемой из условия обеспечения требований технологии. Наиболее рациональ­ ной является круглая форма. Такие колодцы лучше работают на сжатие н при заданной площади основания обладают наименьшим наружным периметром, что уменьшает силы трения по их боковой поверхности, возникающие при погружении. С другой стороны, прямоугольная и квадратная форма опускных колодцев позволяет более рационально использовать площадь внутреннего помещения для размещения оборудования. В любом случае очертание колодца в плане делают симметричным, поскольку всякая асимметрия осложняет его погружение, ведет к перекосам и отклонению от проектного положения.

Ряс. 13.2. Формы сечений опускных колодцев в плане:

а— круглая; 6 —квадратная; в —прямоугольная; г —прямоугольная с поперечными перегород­ ками; д — с закругленными торцевыми стенками

379

По способу устройства стен опускные колодцы из железобетона подразделяют на монолитные и из сборных элементов.

Колодцы со стенами из монолитного железобетона рекоменду­ ется применять, когда подземные помещения по технологическим требованиям имеют сложное очертание в плане, нет возможности изготовить сборные элементы, необходимо проходить скальные грунты или грунты с большим числом валунов и когда сборный опускной колодец конструктивно более сложно выполнить, чем монолитный. Во всех других случаях рекомендуется сооружать опускные колодцы из сборных железобетонных элементов.

Монолитные опускные колодцы. Оболочка опускного колодца из монолитного железобетона (массивного опускного колодца) состо­ ит из двух основных частей: ножевой и собственно оболочки (рис. 13.3).

Ножевую часть делают обычно шире стены оболочки на 100.. .150 мм со стороны грунта. Наличие уступа позволяет снизить силы трения по боковой поверхности погружаемого колодца. Ино­ гда с этой же целью боковые грани делают наклонными или ступен­ чатыми. Наклон боковых граней следует назначать менее 1/100, так как при больших наклонах колодец при опускании недостаточно устойчив, легко кренится или смещается с проектных осей. Ступен­ чатое очертание также вписывают в уклон 1/100.

Ширину режущей части ножа (банкетки) в зависимости от раз­ меров колодца и плотности проходимых грунтов назначают равной 150.. .400 мм. Для предохранения от повреждений банкетку обрамля­ ют металлом. Чаще всего для этого используют прокатный уголок или при ширине банкетки более 250 мм сварной профиль.

Толщина стен монолитных колодцев определяется из условия создания веса, необходимого для преодоления сил трения, возника­ ющих при погружении. В наиболее крупных колодцах, погружаемых без тиксотропной рубашки, толщина стен достигает 2...2,5 м н бо­ лее.

Стенкиколодцев армируются вертикальными пространственны­ ми каркасами, изготовленными на заводе или в арматурных ма­ стерских и доставленными на место строительства отдельными секциями. При монтаже армокаркасы свариваются между , собой ванной сваркой внахлестку.

Для бетонирования стен колодцев чаще всего применяют бетон класса В35. Основными требованиями к бетону являются помимо прочности плотность и водонепроницаемость, так как колодцы в большинстве случаев погружаются ниже уровня подземных вод. Укладка бетонной смеси ведется обычным способом с применением вибрации. В качестве опалубки используют деревянные щиты или тонкостенные железобетонные плиты-оболочки.

Монолитные железобетонные колодцы изготовляют непосредст­ венно над местом их погружения на специально подготовленной

380