Раздел 4. Методы искусственного улучшения грунтов основания.

Если естественное основание оказывается недостаточно прочным (т.е. физико–механические характеристики его не соответствуют предъявляемым к нему требованиям), то прибегают к устройству искусственных оснований.

4.1. Конструктивные методы. Устройство грунтовых подушек; устройство насыпей; грунтовое ограждение; армирование грунта.

4.1.1. Устройство грунтовых (песчаных) подушек.

Грунт, имеющий недостаточную прочность и высокую сжимаемость в основании сооружений можно заменить грунтовой (песчаной) подушкой. Если толщина слоя такого грунта под подошвой фундамента не превышает 1,5 – 2,0 м., подушку обычно доводят до кровли подстилающего прочного слоя. Наличие подушки уменьшает глубину заложения фундамента и сокращает объём кладки.

При значительной мощности слоя непрочного грунта применяют распределительные подушки.

Для устройства песчаных подушек используют среднезернистые и крупнозернистые пески.

Рис.42. Схема к расчёту песчаной подушки.

При расчёте песчаной подушки определяют её высоту и размеры в плане.

Высоту подушки h_n определяют из условия

Ширину песчаной подушки назначают по данным практики из условия, чтобы угол был в пределах

Суммарная осадка подушки S_n и нижележащего грунта S_сл не должна превышать предельно допустимой величины S_u для данного фундамента

где Е₁ – модуль деформации грунта подушки; Е₂ – то же, нижележащего грунта; m – число слоёв грунта, на которые разбита эпюра давлений в пределах подушки; n – общее число элементов эпюры давлений в пределах сжимаемой толщи.

4.2. Механические методы (уплотнение). Поверхностное уплотнение; глубинное уплотнение; предварительное обжатие грунтов.

4.2.1. Поверхностное уплотнение грунтов.

1) Уплотнение грунтов тяжёлыми трамбовками применяют для уплотнения грунтов, имеющих степень влажности (коэффициент водонасыщенности) Для уплотнения грунтов используют трамбовки массой от 20 до 100 кН и более, подъём и сбрасывание которых производят краном или другим механизмом с высоты 4…8 м. и более. Трамбованием создаётся уплотнённый слой толщиной от 1,5 до 6 м. и более.

Трамбовки имеют в плане обычно круглую форму и изготавливаются из железобетона. Применяют и сборные трамбовки из пакетов стальных листов.

Уплотняют грунты участками. Число ударов «по следу» принимается из условия уплотнения основания до «отказа» – это соответствует числу ударов, начиная с которого приращение понижения трамбуемой поверхности происходит на одну и ту же величину.

 

Рис.43. Схема поверхностного Рис.44. Зависимость приращения

уплотнения грунта тяжелой осадки трамбуемой поверхности

трамбовкой от числа ударов: 1 – точка уплотнения

«до отказа»

2) Уплотнение грунтов катками, лёгкими трамбовками и другими механизмами и транспортными средствами выполняют при оптимальной влажности W_o

где W_p – влажность грунтов на границе раскатывания.

 

Рис.45. Примерный график изменения

плотности сухого грунта в зависимости

от изменения его влажности W.

 

 

Уплотнение ведут до определённой степени плотности

 

Глинистые трёхфазные грунты можно уплотнять с помощью пневмокатков на глубину 0,5…0,6 м.; связные и несвязные грунты – гружеными автомашинами на глубину 0,4…0,7 м., трамбующими машинами на глубину до 1,2 м.

3) Вибротрамбование выполняется самоходными виброкатками при фронте работ, достаточном для их маневрирования и разворота или самопередвигающимися виброплитами и вибротрамбовками при стеснённых условиях.

4) Устройство фундаментов в вытрамбованных котлованах выполняется путём сбрасывания с высоты 4…8 м. трамбовки весом 15…100 кН, имеющей форму фундамента. За счёт вытеснения грунта трамбовкой образуется котлован такой же формы. При этом грунт ниже котлована и вокруг него уплотняется. Фундамент бетонируют враспор со стенками котлована.

4.2.2. Глубинное уплотнение грунтов.

Глубинное уплотнение производят на всю глубину слабого слоя или на всю глубину активной зоны, влияющей на осадку. Этим способом чаще всего производят уплотнение рыхлых песков, слабых водонасыщенных и просадочных грунтов.

1) Уплотнение грунтовыми сваями заключается в устройстве на определённом расстоянии друг от друга скважин, заполненных уплотненным грунтом.

Скважины образуют способом вытеснения грунта. Связные грунты уплотняют грунтовыми сваями при

Скважины на всю глубину уплотняемой зоны пробивают специальным снарядом, состоящим из штанги (сердечника) и наконечника большего диаметра. Засыпаемый в скважину грунт уплотняют тем же снарядом.

Скважины устраивают энергией взрыва. Пробивают скважину – шпур, диаметром м., в которую опускают заряд ВВ, состоящий из патронов, соединенных в цепочку. После взрыва образуется скважина диаметром около 40 см., которую заполняют грунтом, имеющим оптимальную влажность.

Разновидностью грунтовых свай являются песчаные, которые устраивают для уплотнения водонасыщенных рыхлых песчаных грунтов, мелких и пылеватых песков, песчаных грунтов с прослойками суглинков, глин и илов.

Для глубинного уплотнения водонасыщенных глинистых и заторфованных грунтов можно устраивать известковые сваи. Недостатком известковых свай по сравнению с песчаными является то, что после гашения они становятся практически водонепроницаемыми, т.е. не способствуют дренированию основания.

Иногда основание уплотняют грунтоцементными сваями, которые устраивают буросмесительным способом.

Грунтовые сваи в основании размещают в шахматном порядке так, чтобы центры трёх соседних свай образовывали равносторонний треугольник. Это даёт наибольший эффект уплотнения. Расстояния между осями свай (шаг свай) выбирают из условия получения необходимой плотности грунта межсвайного пространства.

 

 

Рис.48. Схема размещения грунтовых свай:

d_ck - диаметр скважины; t – шаг сваи.

 

2) Глубинное виброуплотнение песков.

Рыхлые пески можно уплотнять специальными виброустановками, гидровибрационными установками, а также глубинными вибраторами, используемыми для уплотнения бетонной смеси. Возможная глубина уплотнения зависит от типа применяемого механизма и колеблется в пределах от 4 до 10 м.

Радиус уплотнения глубинными вибраторами 0,7…0,8 м.

3) Другие способы уплотнения грунтов.

Предварительно замоченные лёссовидные просадочные грунты, рыхлые пески и супеси могут быть уплотнены подводными и глубинными взрывами.

Уплотнение подводными взрывами осуществляют из затопленных котлованов с глубиной воды не менее 1,3…1,5 м. Заряды ВВ устанавливают в воде по сетке через 0,6…1,2 м. на расстоянии 0,3…0,4 м. от дна котлована. После взрыва зарядов грунт уплотняется на глубину до 4 м.

При уплотнении глубинными взрывами заряды ВВ массой от 5 до 12 кг помещают на глубине 4…12 м. в предварительно пробуренные на расстояниях 4…10 м. друг от друга скважины. После взрыва грунт уплотняется в нижней части массива. Поверхность грунта над зоной уплотнения оседает на 0,5…2,5 м. Верхний слой грунта толщиной 2…6 м. уплотняется недостаточно. Его доуплотняют другими способами. Наибольший эффект уплотнения энергией взрыва достигается при S_r = 0,7…0,8.

Основания, сложенные как песчаными, так и глинистыми грунтами, могут быть уплотнены методом предварительного обжатия их силой тяжести насыпи.

В целях сокращения сроков процесса уплотнения основания из глинистых грунтов, используются искусственные дрены, способствующие убыстрению процесса фильтрационной консолидации.

Уплотнение грунтов основания можно также производить путём понижения уровня грунтовых вод.

4.3. Физико-химические методы (закрепление грунта).

Закрепление грунтов подразумевает такие методы их упрочнения, при которых между частицами грунта искусственным путём создаются дополнительные связи, в результате чего возрастает прочность грунта и уменьшается его сжимаемость. Структура грунта не изменяется.

4.3.1. Инъекционные методы закрепления грунтов.

Этими методами могут быть закреплены грунты обладающие значительной водонепроницаемостью, что позволяет нагнетать в них закрепляющие растворы.

1) Метод силикатизации реализуется тремя способами: двухрастворным, однорастворным и газовым.

Двухрастворный – в песчаный грунт любой влажности через перфорированную трубу (инъектор) поочередно нагнетаются раствор силиката натрия и раствор хлористого кальция. В порах грунта образуется гидрогель кремниевой кислоты.

Однорастворный – в закрепляемый грунт через систему инъекторов нагнетается один раствор силиката натрия. Под влиянием химических реакций между раствором силиката натрия и водорастворимыми солями грунта выделяется гидрогель кремниевой кислоты. Т.е. роль отвердителя выполняет сам грунт.

Газовый – в качестве отвердителя жидкого стекла используется диоксид углерода CO₂ , который подаётся в грунт под небольшим давлением поочередно с раствором силиката натрия.

2) Закрепление синтетическими смолами (смолизация).

Смолизацию применяют в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут. Суть метода заключается в том, что в грунт через систему инъекторов (или скважин) нагнетаются синтетические смолы с отвердителем. В качестве крепителя используют растворы карбамидных смол, а отвердителей – растворы соляной и щавелевой кислот.

3) Цементация представляет собой заполнение пустот, трещин, крупных пор в крупнообломочных грунтах цементным и цементно-глинистым раствором. Однако цементация скальных пород возможна, если ширина трещин в скале превышает 0,15…0,2 мм, а скорость подземных вод не более 0,25 см/с.

4) Глинизацию (так же, как и цементацию) применяют только при небольших скоростях движения подземных вод во избежание уноса раствора из тампонируемого слоя.

В качестве тампонажного раствора используют чистый глинистый раствор. При повышении давления вода из этого раствора отжимается, а обезвоженное глинистое тесто заполняет пустоты и придаёт породе водонепроницаемость.

5) Битумизацию применяют при больших скоростях фильтрации в трещиноватых скальных и полускальных породах.

Способ горячей битумизации состоит в том, что расплавленный битум нагнетается через пробуренные скважины и, остывая в породе, придаёт ей водонепроницаемость. Недостаток – выдавливание битума из трещин при длительном действии напорных подземных вод. Поэтому метод применяется редко как в гидротехническом, так и в гражданском строительстве.

Способ холодной битумизации заключается в нагнетании в закрепляемый грунт битумной эмульсии. Способ применяется для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 10 до 50 м/сут. и в основном для придания им водонепроницаемости. Способ холодной битумизации широкого распространения не получил.

4.3.2. Укрепление глинистых грунтов с помощью электрического тока.

Укрепляют глинистые водонасыщенные грунты с коэффициентом водонасыщения близким к 1,0 или равным ей. При пропускании через глинистый грунт постоянного тока, содержащаяся в нем вода будет двигаться в сторону катода (иглофильтра) и откачиваться. Это явление электроосмоса. Одновременно происходит явление электрофореза – движение отрицательно заряженных коллоидных частиц и мелких глинистых частиц к положительному полюсу источника тока. Электрофорез способствует осветлению откачиваемой из грунта воды. Удаляя избыток воды у катодов при электроосмосе, можно добиться уменьшения влажности глинистого грунта и его уплотнения.

4.3.3. Термическое закрепление грунтов.

Его производят путём глубинного обжига грунтов через пробуренные нагревательные скважины диаметром d_ск = 15…20 см. Для обжига могут быть использованы любые виды жидкого, газообразного и твёрдого топлива, а также электричество. Горючее сжигают непосредственно в скважине, для чего в неё подают ещё и сжатый воздух.

Глубинный обжиг применяют для упрочнения грунтов под фундаментами, устройства из обожжённых грунтов подпорных стенок, обделок подземных выработок, для ликвидации просадочных свойств грунтов и их способности к пучению.

Обжигу могут быть подвергнуты лёссовые и лёссовидные суглинки, а также другие грунты с содержанием глинистых частиц не менее 7% и

Минимальная необходимая температура на внешнем контуре обожженного грунта изменяется от 400 до 800°С.

Большие значения температуры нужны для устройства конструкций из обожженного грунта, меньше – для ликвидации просадочных свойств. При температуре свыше 900°С происходит спекание грунта.

4.3.4. Искусственное замораживание грунтов.

Этот способ используют для ограждения глубоких котлованов, отрываемых в водонасыщенных грунтах.

При искусственном замораживании по периметру котлована в грунте на определённом расстоянии устанавливают замораживающие колонки внутренним диаметром 100…150 мм. Внутри колонок циркулирует охлаждающий раствор (обычно раствор CaCl₂), который поступает через внутреннюю трубу, а затем поднимается вверх, омывая стенки наружной трубы. Вокруг каждой колонки образуется цилиндрическая область замороженного грунта, диаметр которой в процессе замораживания увеличивается. С течением времени замороженные зоны вокруг отдельных колонок сливаются между собой, образуя сплошную стенку грунта.