Способы улушчения свойств грунтов

Для ограждения котлованов, траншей, подземных выработок и защиты проводимых в них строительных работ от поступления грунтовых вод в зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, мощности водоносных слоев существуют следующие способы закрепления грунта: замораживание, инъецирование в грунт растворов-отвердителей, создание тиксотропных противофильтрационных экранов и завес, устройство шпунтовых ограждений. Эти же методы применяются при необходимости улучшения свойств грунтов основания (прочности, плотности, водонасыщенности и т.д.).

Способы улучшения свойств грунтов классифицируются по следующим признакам:

а) по характеру воздействия на грунт:

- физические и механические (кольматаж путем заиления, водопонижение с применением дренажных устройств, включая электроосушение, регулирование гранулометрического состава путем перемешивания, виброуплотнение, трамбование и укатка, гравитационное уплотнение пригрузкой, уплотнение при создании полостей и заполнении их грунтовыми смесями);

- химические (силикатизация двух- и однорастворная, смолизация, инъекционная цементация, добавки минеральных вяжущих при перемешивании грунтовых смесей);

- термические (замораживание, обжиг);

- физико-химические (электросиликатизация, битумизация горячая и холодная, добавки органических вяжущих при перемешивании грунтовых смесей, инъекционная глинизация с цементными добавками);

- комбинированные (сочетание вышеназванных способов в различных комбинациях);

б) по достигаемому эффекту при изменении свойств грунтов:

- повышающие монолитность и механическую прочность трещиноватых скальных грунтов;

- повышающие связность и цементирование дисперсных крупнообломочных и песчаных грунтов;

- окаменение связных и несвязных грунтов;

- понижающие газо- и водопроницаемость;

- повышающие водопроницаемость;

- обеспечивающие уплотнение, повышение несущей способности (прочности) и снижение деформативности основания;

- обеспечивающие обезвоживание и повышение структурного сцепления;

- приводящие к осушению, уплотнению, повышению механической прочности на сжатие и сдвиг;

- повышающие морозо- и водоустойчивость;

- увеличивающие водостойкость;

- понижающие коррозийность;

- изменяющие консистенцию связных грунтов;

- уменьшающие пылимость глинистых грунтов;

- ослабляющие пучение пылевато-глинистых грунтов;

- уменьшающие просадочность и повышающие несущую способность;

- угнетающие свойства пластичности, набухаемости, размокаемости, просадочности, пучинистости, тиксотропности пылевато-глинистых и разжижаемости мелких и пылеватых песков;

- улучшающие разрабатываемость мерзлых грунтов.

Для искусственного улучшения работы грунтов оснований должны применяться конструктивные приемы, для изменения их свойств - способы технической мелиорации.

К конструктивным приемам улучшения работы грунтов оснований относятся: устройство грунтовых подушек с их послойным уплотнением, применение шпунтового ограждения, создание боковых пригрузок, армирование грунта.

Для механического уплотнения грунтов применяют следующие методы: поверхностное уплотнение катками и виброплощадками или тяжелыми трамбовками, глубинное вибрационное или гидровибрационное уплотнение, посредством пробивки полостей или их создания направленными (импульсными или кумулятивными) взрывами с их заполнением обломочным материалом, использование предварительного обжатия пригрузкой и под действием фильтрационных сил при замачивании или дренировании, за счет понижения уровня воды, в том числе при помощи электроосмоса.

Изменение свойств грунтов может осуществляться за счет их закрепления посредством перемешивания с добавкой минеральных или органических вяжущих и грунтовых смесей, силикатизации, цементации, смолизации, электрозакрепления, известкования, битумизации, термического способа (обжиг или замораживание). Выбор метода улучшения свойств грунтов определяется Пособием П11-01 к СНБ5.01.01.

Улучшению свойств грунтов посредством перемешивания (стабилизации) могут подвергаться практически все их виды, которые удается раздробить, перемешать со связующим и уплотнить. По виду применяемых материалов различают стабилизацию:

- иным грунтом (гранулометрическими добавками);

- гидравлическими вяжущими;

- битумом;

- химическими веществами;

- комбинацией примесей.

Для перемешивания грунтов с целью их укрепления гранулометрическими добавками могут использоваться приемы с выемкой имеющихся грунтов, добавкой в них необходимых наполнителей или вяжущих при последующем заполнении созданных выработок смесями и их уплотнении. Такие приемы рационально применять при малых толщах (до 1 м) перемешиваемых грунтов преимущественно в линейном строительстве (дорожное полотно, песчаные подушки и др.). Уплотнение перемешиваемых грунтов в данном случае можно осуществлять катками, виброкатками и перемещаемыми виброплитами вместе с транспортными средствами.

Целесообразно также применять приемы перемешивания имеющихся грунтов с добавками связующих и крупнообломочными (скелетными) наполнителями без извлечения из грунтового массива за счет непрерывной шнековой или бурофрезерной разработки грунтов с одновременной подачей в разрыхляемые при этом грунты соответствующих наполнителей и добавок (рис. 4.8).

Для улучшения свойств водонасыщенных грунтов за счет ускорения консолидации пластичных супесей, суглинков, илов, отведения поверхностных вод в подстилающие водоупор необводненные сильнофильтрующие сыпучие грунты, уменьшения опасности пучения промерзающих пылевато-глинистых грунтов под малозаглубленными фундаментами и ростверками применяют следующие способы осушения и дренирования:

- выполнение вертикальных по контуру и наклонных под зданием песчаных и известковых осушающих и дренирующих тампонов посредством устройства (предпочтительно продавливания с вытеснением окружающего грунта в стороны) скважин под защитой обсадных труб и заполнения их сухими сыпучими грунтами, известью или их смесью, либо крупнообломочным материалом (см. рис. 4.9 - 4.11);

- погружение в грунтовую толщу с аналогичной ориентацией картонных или полимерных геодрен вместе с задавливаемыми плоскими скважинообразователями;

- создание горизонтальных (кольцевых) дренажных систем по контуру здания и сооружения или внутри него в отрытых траншеях (рис. 4.12), а также лучевых трубчатых дрен под ним в скважинах, пробуренных или продавленных из водоприемных колодцев;

- устройство наклонных трубчатых дренажей с ниспадающим уклоном на неустойчивых откосах (рис. 4.13);

- водопоглотительные дренажные колодцы с откачкой из них воды или отводом в ливневую канализацию.

 

 

Рисунок 4.8 – Перемешивание грунта при устройстве цементогрунтовых фундаментов бурофрезерным способом

1 - грунтосмесительная машина, 2 - растворонасос, 3 - емкость с побудителем, 4 - вибросито, 5 - растворосмеситель, 6 - дозаторы, 7 - добавки, 8 - цементовоз, 9 - вода

 

 

 

Рис. 4.9 - Устройство вертикальной песчаной или известковой дрены (тампона):

а - погружение вибратором обсадной трубы с раскрываемым башмаком, б - извлечение трубы и заполнение скважины дренирующей смесью, в, г - башмак в раскрытом и закрытом положениях; 1 - стальная труба; 2 - створки; 3 - шарнир; 4 - кольцо

 

 

 

Рисунок 4.10 ¾ Последовательность устройства щебенистой дрены в продавливаемой конической полости:

а - устройство приямка с заполнением его щебнем; б, в - поэтапное погружение конического сердечника для создания полости с ее заполнением щебнем; г - готовая щебенистая дрена

 

 

Рис. 4.11 - Принцип устройства вертикальной дрены с использованием виброфлотации по системе фирмы «Бауэр»:

а, б - вибропогружение трубы с уширением в нижней части при использовании напорной водяной струи, в - засыпка щебня в забой и его виброуплотнение, г - готовая щебенистая дрена в полости после чередующихся подъемов и погружений трубы

 

При производстве работ способы устройства скважин и вертикальных дрен в грунтах не должны вызывать отрицательных воздействий на близлежащие строения и коммуникации. Предпочтение следует отдавать способу продавливания скважин с возможностью уплотнения существующего окружающего грунта и тела водопоглощающей дрены. Бурение скважин шнеком как более простой и ускоренный способ может применяться в случае отсутствия оплывания и осыпания грунтов.

Сваи-дрены из негашеной извести предназначаются для повышения как водопоглощения, так и прочности окружающего грунта за счет увеличения в объеме этого материала при его гашении. Такие тампоны могут изготавливаться в скважинах по аналогии с песчаными и щебенистыми при заполнении извести через погружаемую трубу с раскрывающимся коническим наконечником, а также посредством завинчивания в грунт специального трубчатого элемента с режущей головкой (рис. 4.14).

Вертикальные дрены в плане размещают в вершинах правильных треугольников (рис. 4.15) на расстояниях, назначаемых исходя из условия достижения требуемого уплотнения грунта в межсвайных зонах.

Рисунок 4.12 - Схемы выполнения трубчатых дренажей совершенного (а - в) и несовершенного (г) типа:

а - с песчано-гравийной обсыпкой в траншее, б - то же, в откосе с вертикальными бортами, в - с минеральным фильтровым покрытием; 1 - обратная засыпка песком, 2 - песок средней крупности, 3, 6 - щебень, 4 - водоупор, 5 - труба, 7 - минеральный волокнистый материал, 8 - хомуты из стекловолокна

 

 

 

Рисунок 4.13 – Устройство трубчатого дренажа на откосе

1 - скважина, 2 - отверстия в трубе, 3 - водоотводящий лоток в основании откоса

 

Рисунок 4.14 – Устройство известковой дрены:

а - деталь буровой головки, б - последовательность работ при устройстве дрены; 1 - буровая головка, 2 - полая штанга, 3 - подача извести под давлением воздуха, 4 - выпускное отверстие, 5 - готовая дрена

 

 

 

Рисунок 4.15 – Расположение вертикальных дрен в плане и разрезе

1 - слабый грунт; 2 - прочный грунт; 3 - песчаные дрены

 

Инъекционное улучшение свойств грунтов заключается в нагнетании текучих смесей в грунт под высоким давлением, приводящее к его пропитке или опрессовке (либо к их сочетанию) и тем самым к улучшению свойств благодаря уплотнению и упрочнению за счет твердения соответствующей закачиваемой смеси. Для этого исполь­зуют способы цементации, глинизации, битумизации, силикатизации, смолизации.

Цементацию, глинизацию, битумизацию трещиноватых скаль­ных, а также песчаных и гравелистых грунтов производят путем нагнетания в них заполняющих (тампонажных) растворов через инъекторы, установ­ленные в пробуренных скважинах.

Для цементации применяют специальные составы цементных, цементно-песчаных или цементно-глинистых тампонажных растворов с ис­пользованием портландцемента марки не ниже 300, а для глинизации - глиносиликатные и бентонито-силикатные растворы. Нагнетают цементацион­ные и глинистые растворы под давлением до 10 МПа специальными насо­сами, а при давлении до 1,5 МПа - диафрагмовыми насосами.

Растворы в закрепляемые грунты нагнетают гидравлическим или пневматическим способом с использованием при первом из них насосов вы­сокого давления, а при втором - компрессоров (нагнетание сжатым возду­хом). Однако на практике чаще применяют гидравлический способ с нагне­танием раствора по циркуляционной и нажимной (бесциркуляционной) схе­мам. При циркуляционной схеме раствор в скважину подают под давлением, часть которого поглощается трещинами, а избыток его воз­вращается из скважины в растворосмеситель. При нажимной схеме раствор в скважину попадает по мере его поглощения трещинами.

Битумизацию грунтов с нагнетанием горячего битума производят насосами в пробуренные скважины с помощью установленных в них инъекторов, обеспечивающих подогрев битума в стволе скважины. Битум нагне­тают с постепенным увеличением давления, обычно в несколько циклов, с перерывами для остывания битума.

Силикатизацию и смолизацию грунтов производят путем нагне­тания через систему инъекторов водных растворов силиката натрия или смолы с отвердителем. Этими способами закрепляют песчаные и просадочные грунты. В качестве инъекторов, погружаемых забивкой, используют стальные трубы диаметром 25 ... 50 мм. Инъектор состоит из наголовника, колонны глухих труб, перфорированного звена и наконечника. Для нагнетания растворов в грунт применяют плунжерные насосы типа ПС, НС, НД, шестеренчатые насосы типа БГ, а также пневматические установ­ки непрерывного действия. При силикатизации лессовых грун­тов раствор в скважины нагнетают растворонасосами.

Глубина нагнетания растворов зависит от способа погружения инъ­екторов, характера и степени однородности грунта. При силикатизации и смолизации песчаных грунтов растворы нагнетают вначале в первый ряд инъекторов, затем во второй и т.д., а в рядах нагнетание производят через один инъектор. При двухрастворной силикатизации жидкое стекло и рас­твор хлористого кальция нагнетают сначала в нечетные ряды инъекторов, а затем четные. Каждый раствор нагнетают отдельным насосом, смешение их в баках, шлангах, насосах и инъекторах не допускается. Инъекторы по­сле окончания работ извлекают из грунта гидравлическим домкратом или винтовым шарнирным станком.

Термическое закрепление грунтов осуществляют путем нагнета­ния в пробуренные скважины высокотемпературных газов. Способ приме­няют для упрочнения маловлажных просадочных грунтов. При этом необ­ходимо соблюдать предусмотренные проектом температуру и давление в скважине, регулировать расход топлива и сжатого воздуха, а также наблю­дать за состоянием стенок скважины и закреплением массива грунта. Мак­симальная температура в скважине не должна превышать 900 ... 1000°С. При образовании трещин в грунте их заделывают местным грунтом с плотным утрамбованием.

Улучшение свойств грунтов посредством обжига (термическое упрочнение) может использоваться в грунтах, способных при высоких температурах создавать прочный материал по типу кирпича. К таким грунтам относятся глинистые (супеси, суглинки и глины), у которых за счет обжига вместе с повышением прочности устраняются набухаемость, просадочность и пучинистость благодаря испарению связной воды, а при температуре св. 600 °С исчезает свойство пластичности.

В сильно водонасыщенных грунтах при разработке глубоких выемок, подземных сооружений создаются противофильтрацинные завесы при помощи естественного или искусственного замораживания грунтов.

Естественное замораживание применяют в районах с низкими температурами. В летнее время вскрывают котлован до уровня грунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20 ... 30 см. После этого послойно (10... 15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом, возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.

Искусственное замораживание грунтов применяют при высоком уровне грунтовых вод (в сильно водонасыщенных грунтах и плывунах) при строительстве шахт, туннелей, при разработке котлованов (глубоких выемок) в песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах.

Цель замораживания - создание льдогрунтовой оболочки вокруг сооружения, под защитой которой будет осуществляться разработка выемки.

По периметру разрабатываемого котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенных между собой сетью из двух трубопроводов, которые подключены к холодильной камере. Замораживающая колонка (охлаждающая игла) состоит из двух труб - наружной диаметром 110 мм с замкнутым и заостренным нижним концом и внутренней трубы диаметром порядка 35 мм, при этом внутренняя труба не замкнутая и она не доходит до низа наружной. К верху наружной трубы приварена крышка, через нее пропущена внутренняя труба, по которой подается замораживающий раствор, и сбоку в верхней части наружной трубы приварена отводящая труба, по которой уже использованный охлаждающий раствор подается снова в холодильную камеру; на этих отводящих трубах закреплены термометры для контроля за температурой рассола.

Для замораживания грунтов используют холодильную установку, подающую хлористый кальций или другой охлаждающий раствор - рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания) в погруженные в грунт замораживающие колонки. Раствор хлористого кальция в холодильнике охлаждается до температуры -20 ... -25°С под действием хладоагентов - углекислоты (диоксид углерода) или аммиака и под давлением подается во внутреннюю питательную трубу и из нее выливается, попадая в замкнутую наружную трубу, соприкасающуюся с грунтом. Перемещаясь по этой трубе снизу вверх под действием давления, раствор нагревается за счет поглощения тепла от грунта через стенку наружной трубы, одновременно охлаждая грунт, возвращается в холодильник с остаточной температурой около -5°С, где снова охлаждается и вновь поступает в систему труб.

Вокруг охлаждающей колонки, по которой проходит рассол, со временем образуется цилиндр замороженного грунта, диаметр которого со временем увеличивается и максимально может доходить до 3 м.

Через некоторое время после начала замораживания, соседние цилиндры замороженного грунта сливаются (смерзаются) в сплошную стенку мерзлого грунта, которая препятствует проникновению грунтовой воды в котлован, т. е. выполняет функцию конструкции ограждения временной выемки. Замороженная стенка должна быть заглублена до водонепроницаемого пласта грунта для предотвращения доступа воды во внутреннюю полость снизу. Расстояние между колонками зависит от гидрогеологических и температурных условий производства работ, глубины предполагаемой выемки и в большинстве случаев оказывается в пределах 1,5 ... 3 м.

Устройство тиксотроппых противофильтрационных экранов толщиной 0,15 ... 0,25 м производят с применением механизмов ударного, режущего, вибрационного и водовоздушного действия. В качестве машины ударного действия используют копровый агрегат, который вплотную друг к другу погружает в грунт несколько стальных шпунтин или пустотелых свай. Затем первый погруженный элемент извлекают гидравлическим трактором, а в образовавшуюся полость подают глиноцементный или глинистый раствор, обладающий тиксотропными свойствами. Тиксотропную суспензию приготовляют из бентонитовой глины, способной абсорбировать воду, а после водонасыщения загустевать, приобретая гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.

Извлеченный элемент погружают в месте, расположенном от последнего погружения на расстоянии не более чем ширина стороны поперечного сечения погруженного элемента. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирована противофильтрационная завеса. Погружение и извлечение пустотообразующих элементов можно выполнять с использованием вибрационного оборудования.

Также могут использоваться буровые машины, при этом в массиве грунта бурится, скважина глубиной до 10 м и диаметром 0,5 м. В момент, когда бур начинает извлекаться из скважины, через его полый вал под давлением подается цемент и перемешивается с разрыхленным грунтом. В грунте образуется цементно-грунтовая свая. Затем на расстоянии, меньшем диаметра сваи, бурится новая скважина, в которой также устраивается цементная колонна. Между двумя колоннами снова бурят скважину, при этом частично захватывая материал двух соседних свай. В результате образуется стенка из сомкнутого ряда свай, обладающая противофильтрационными свойствами. Оборудование позволяет устраивать не только вертикальные, но и наклонные сваи (до 15° во всех направлениях).